Un equipo multi-institucional del Colegio Baylor de Medicina de la Universidad de Rice, la Universidad de Stanford y el Instituto Broad del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés) y la Universidad de Harvard, en Estados Unidos, ha informado de la realización con éxito de cirugía del genoma, cambiando cómo se pliega el genoma en el interior del núcleo. El avance, detallado en 'Proceedings of the National Academy of Sciences', podría conducir a nuevos métodos de comprensión y superación de enfermedades genéticas.
El año pasado, investigadores del Colegio Baylor de Medicina del Centro de Arquitectura del Genoma demostraron que cuando los dos metros de largo del genoma humano se pliegan dentro del núcleo de una célula, se forman aproximadamente 10.000 bucles. Estos nudos apagan y enciendan genes y controlan la forma en la que los largos tramos del genoma son empaquetados. Anomalías en este proceso de plegado pueden conducir a la enfermedad.
El equipo también descubrió contraseña del ADN, o 'motivo', que se encuentra en ambos extremos de casi todos los bucles: una cadena de menos de 20 letras genética que hace que el ADN se una a una proteína llamada CTCF. A menudo, estos motivos se encuentran en lo que se había pensado como ADN 'basura'.
Ahora, con profundas consecuencias para la investigación genética, un equipo del Centro de Arquitectura Genómica, dirigido por el doctor Erez Lieberman Aiden, ha demostrado que mediante la manipulación de estos motivos, es posible destruir, mover y crear nuevos lazos en el genoma. El trabajo estuvo dirigido por los coautores Adrian Sanborn y Suhas Rao, ambos estudiantes de posgrado en el laboratorio de Aiden y la Universidad de Stanford, en Estados Unidos.
'Hemos sido capaces de utilizar nuestros conocimientos sobre cómo se forman bucles en la naturaleza con el fin de diseñar bucles artificialmente en el genoma. Esto significa que es posible, al menos en principio, corregir errores en el plegamiento del genoma mediante la modificación de un puñado de letras genéticas, sin afectar al ADN circundante', apunta Aiden, autor principal del nuevo estudio, científico en Baylor e investigador senior en el Centro de Física Biológica Teórica de la Universidad Rice, en Houston, Texas, Estados Unidos.
Al igual que las cuerdas de una marioneta, los nudos a menudo conectan genes con los elementos de ADN que los controlan, a pesar de que, cuando el genoma es visto como una cadena unidimensional de letras, esos elementos se encuentran muy lejos. Para modificar las claves que crean bucles sin interrumpir la secuencia circundante, el equipo utilizó el sistema CRISPR-Cas9 de edición del genoma, que hace posible modificar una secuencia del genoma de una manera muy específica.
Si el equipo estaba en lo cierto sobre el papel de estos códigos en la creación de los bucles, los resultados supondrían más que afectar a la secuencia del genoma: cambiarían el pliegue. 'El uso de CRISPR nos permitió ir con un 'bisturí molecular' para añadir o eliminar un pequeño número de letras genéticas. Al saber exactamente a qué letras necesitábamos apuntar, vimos que era posible cambiar el modo en el que el genoma se pliega en una gran manera predecible', dice Rao.
El nuevo estudio también demuestra cómo se forman bucles dentro del genoma y los resultados fueron una sorpresa enorme. Durante décadas, los científicos pensaban que los bucles se forman cuando trozos del genoma se mueven alrededor en el núcleo, chocando entre sí. Sin embargo, los autores encontraron que las células forman bucles por un proceso diferente, denominado extrusión.
Sanborn emplea la analogía de una mochila para explicar cómo funciona la extrusión. 'La extrusión es el proceso que se utiliza cuando se manipulan los ajustadores de plástico de una mochila. Pero el genoma es mucho más largo que la correa en una mochila, por lo que el proceso sigue y sigue, haciéndose un lazo cada vez más flojo, más y más grande. La clave es que el proceso de extrusión se detiene cuando llega a un sitio CTCF. Es por eso que la modificación de los motivos es la clave para el control de todo el proceso', explica.
En cada experimento, los investigadores modificaron ciertos sitios CTCF, cambiando el patrón de unión de CTCF. Una vez que supieron que la extrusión conduce el proceso de plegado del genoma, el equipo vio que saber dónde CTCF ata el ADN era suficiente para predecir la forma en que regiones enteras del genoma podrían eliminarse. Moficiar los sitios CTCF permitió destruir bucles, moverlos y crear nuevos.
También fue posible modificar predeciblemente otras características de plegado, llamados dominios, que son tramos del genoma que se segregan en una sola posición espacial. En más de una docena de casos, el equipo combinó matemáticas y computación de alto rendimiento para predecir cómo el genoma se doblaría con antelación. En cada caso, el pliegue del genoma coincidió estrechamente con las predicciones del equipo.
En un caso, la adición de un solo par de bases fue suficiente para cambiar el plegamiento de millones de letras del genoma. Estos resultados son un paso importante en el proceso de comprensión de cómo se pliega el genoma. 'Los sitios CTCF funcionan como un código para el plegado del genoma. Ahora que hemos empezado a descifrar el código, podemos entender y controlar el proceso de plegado', destaca el doctor Eric Lander, co-autor del trabajo y director del Instituto Broad.