La lectura del ADN es un trabajo en equipo

gotas de factores de transcripción

Imagen: Gotas de factores de transcripción humedecen una superficie y exponen las regiones reguladoras del ADN. Este proceso está codificado en esta imagen de gotitas de proteína purificada sobre una superficie de vidrio con ADN dibujado a mano en la parte posterior del vidrio.
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Crédito: Mark Lever, José A. Morin y Sina Whitman, MPI-CBG José A. Morin et al. Física de la naturaleza, 2022

La vida comienza con una sola célula. A medida que un organismo se desarrolla, las células en división se especializan para formar una variedad de tejidos y órganos que construyen el cuerpo adulto, mientras mantienen el mismo material genético que se encuentra en nuestro ADN. En un proceso conocido como transcripción, partes del ADN (genes) se transcriben en una molécula mensajera (ARN) que transporta la información necesaria para producir proteínas, los componentes básicos de la vida. Las partes de nuestro ADN que se leen y copian determinan el destino de nuestras células. Los lectores de ADN son proteínas llamadas factores de transcripción: se unen a sitios específicos del ADN y activan el proceso de transcripción. Cómo reconocen a qué sitio de ADN necesitan unirse y cómo se distinguen de otros sitios de unión aleatorios en el genoma sigue siendo una pregunta abierta. Los científicos del Instituto Max Planck de Biología Celular Molecular y Genética (MPI-CBG) y el Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complejos (MPI-PKS), ambos ubicados en Dresden, han demostrado que miles de factores de transcripción individuales cooperan e interactúan uno con el otro. Humedecen colectivamente la superficie del ADN formando gotitas de líquido que pueden identificar grupos de sitios de unión en la superficie del ADN.

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La transcripción, uno de los procesos celulares más básicos, es el procedimiento mediante el cual la información del ADN se transcribe en la molécula mensajera ARN. Este «mensaje» se tradujo más tarde en proteínas. Determinar qué partes del ADN se están transcribiendo en un momento dado es fundamental para el desarrollo adecuado para mantener un organismo saludable, porque es probable que ocurran muchas enfermedades cuando los programas genéticos no se implementan correctamente. La decisión sobre qué genes se transcriben se realiza a través de una compleja red de proteínas reguladoras denominadas factores de transcripción. Si bien estos factores están asociados con secuencias cortas de ADN, se requiere el reconocimiento de las combinaciones de muchas de estas secuencias para el funcionamiento de los genes cercanos.

Los grupos de investigación de Stefan Grill y Anthony Heymann, ambos directores de MPI-CBG, y el grupo de Frank Julicher, director de MPI-PKS investigaron en su reciente estudio en la revista Física de la naturaleza Cómo los factores de transcripción encuentran y reconocen combinaciones de muchas secuencias de ADN específicas donde pueden unirse y conducir a la activación de genes. Para averiguarlo, los investigadores adoptaron un enfoque interdisciplinario, combinando la experiencia en biofísica teórica y experimental con la biología celular. Jose A. Morin, uno de los primeros autores del estudio, explica: «Usamos pinzas ópticas, una tecnología que usa un láser para aislar y manipular objetos muy pequeños, como moléculas de ADN individuales, junto con microscopía confocal para mirarlos individualmente. Usando pinzas Visualmente, es posible capturar una sola molécula de ADN y con microscopía confocal podemos observar factores de transcripción que se unen y forman condensadores de proteínas en sus secuencias de ADN preferidas.El hecho de que podamos estudiar este proceso para una sola molécula en ese momento permitió nos permite descubrir interacciones que no están claras debido a la complejidad de la célula viva». Sina Whitman, otra primera autora, agrega: «Con la ayuda de los físicos, hemos podido comprender cómo los factores de transcripción se comunican y ensamblan entre sí a través de la acción colectiva. Se someten a lo que se denomina pretransición para formar gotas similares a las de un líquido. , que son como gotas en un espejo en el baño después de la ducha». Estos condensadores están llenos de miles de factores de transcripción. Al juntarlos de esta manera, los factores de transcripción ahora pueden identificar la región de ADN correcta al leer la secuencia de ADN».

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Stefan Grill resume: «Ahora tenemos una posible explicación mecánica para la localización de los factores de transcripción a lo largo del genoma. Esto es esencial para comprender cómo se regula la expresión génica. Como sabemos que esta regulación se divide en enfermedades del desarrollo y cáncer, estos nuevos hallazgos nos dan una imagen más clara de cómo ocurren estas enfermedades». Este conocimiento es importante para considerar nuevas opciones terapéuticas que tengan en cuenta la acción colectiva de los factores de transcripción».

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Los laboratorios de investigación de Anthony Heymann, Stefan Grill y Frank Julicher también están afiliados al Centro de Biología de Sistemas de Dresden (CSBD) y al grupo de excelencia Physics of Life (PoL) de TU Dresden. CSBD es una colaboración entre MPI-CBG, MPI-PKS y TU Dresden. En el Centro Interdisciplinario, físicos, informáticos, matemáticos y biólogos trabajan juntos para comprender cómo las células coordinan su comportamiento para formar tejidos y órganos de una forma o función particular. El Grupo de Excelencia PoL en TU Dresden busca arrojar luz sobre las leyes de la física que subyacen a la autorregulación de la vida en moléculas, células y tejidos. En la reunión, que está financiada por Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, una institución de investigación alemana), un equipo interdisciplinario de científicos se une para investigar cómo la materia viva activa regula la generación de vida.


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