Las simulaciones por computadora visualizan cómo una proteína esencial de células madre abre el ADN envuelto

Más de lo que los microscopios pueden mostrar

Nucleosomas genómicos nativos unidos (azul oscuro) por Oct4 (rojo) y en forma libre (amarillo). Las superficies y las cintas ilustran el ADN y las regiones estructuradas del núcleo de las histonas, respectivamente. Crédito: Vlad Cojocaru

Un equipo internacional de investigadores formado por Hans Schöler y Vlad Cojocaru del Instituto Max Planck de Biomedicina Molecular de Münster ha visualizado con un detalle sin precedentes una proteína clave para convertir células madre adultas en células que se asemejan a células madre embrionarias. Al combinar experimentos y simulaciones por computadora, el equipo visualizó cómo la proteína Oct4 se une y abre fragmentos cortos de ADN mientras se envuelve alrededor de proteínas de almacenamiento nuclear (histonas), al igual que en nuestro genoma. Los resultados fueron publicados en la revista Investigación de ácidos nucleicos el 22 de septiembre.


Las células adultas se pueden convertir en células similares a células madre embrionarias (células pluripotentes inducidas, iPSC) utilizando un cóctel de solo cuatro proteínas. En los últimos años, esta tecnología de reprogramación celular ha contribuido enormemente al modelado de enfermedades, el desarrollo de fármacos y las terapias de reemplazo celular. Sin embargo, muchas preguntas sobre los mecanismos moleculares de esta conversión siguen sin respuesta. Por ejemplo, un paso esencial es la apertura del ADN en las células a convertir. Cada una de nuestras células contiene unos dos metros de ADN empaquetado en una estructura conocida como cromatina. En la cromatina, el ADN está fuertemente envuelto alrededor de las histonas en unidades estructurales repetitivas conocidas como nucleosomas. Entonces, ¿cómo estas cuatro proteínas abren el ADN cuando se expresan en células adultas?

Oct4: Un regulador pionero de células madre pluripotentes

Tres de las cuatro proteínas se describieron como factores de transcripción pioneros, lo que significa que se unen a secuencias específicas de ADN mientras están envueltas en nucleosomas y tienen la capacidad de abrir la cromatina directa o indirectamente. Entre los tres destaca Oct4 porque es fundamental para el mantenimiento de células madre embrionarias de diferentes especies y para la reprogramación de células humanas. Oct4 fue descubierto a finales de los 80 por Hans Schöler aproximadamente al mismo tiempo que otros dos laboratorios y es el único factor insustituible en el cóctel ganador del Premio Nobel de Shinya Yamanaka para reprogramar células adultas en células pluripotentes. Hace unos 10 años, Abdenour Soufi y Ken Zaret describieron regiones de ADN empaquetado que están unidas por Oct4 en las primeras etapas de la reprogramación.

Caitlin MacCarthy, postdoctorado en el grupo de Hans Schöler y uno de los principales autores del estudio, proporcionó los experimentos de laboratorio húmedo. Reflexionando sobre su trabajo, MacCarthy explica: “Los experimentos fueron más desafiantes de lo que esperábamos. Trabajar con nucleosomas nativos o genómicos se vuelve bastante técnico porque son muy dinámicos, a diferencia de las secuencias diseñadas que son más estables. Aún así, pudimos mostrar con precisión dónde Oct4 se une a ellos”. Entonces, ¿qué sucede cuando Oct4 se une a los nucleosomas?

nanoscopio computacional

Para responder a esto, Jan Huertas, también autor principal del estudio, proporcionó las simulaciones que realizó durante su doctorado. estudios en MPI Münster. Él y Vlad Cojocaru utilizaron el nanoscopio computacional para visualizar cómo Oct4 se une a los nucleosomas y afecta su estructura. Los investigadores utilizan el término nanoscopio computacional para referirse a un conjunto de métodos de simulación por computadora que les permiten visualizar los movimientos de las moléculas a lo largo del tiempo.

La precisión de estos métodos es ahora tan alta que uno puede imaginar observar las moléculas bajo un microscopio de muy alta resolución. Los nucleosomas, como todas las estructuras macromoleculares de nuestras células, son dinámicos. Se mueven, giran, respiran, se desenvuelven y vuelven a envolver. Visualizar estos movimientos en experimentos a menudo es imposible. Huertas explica: “Es tan increíble poder ver estas grandes estructuras moleculares con todos sus átomos moviéndose en la computadora y saber que lo que ves es muy parecido a lo que realmente sucede”.

Oct4 abre nucleosomas

En las películas en tiempo real de los complejos Oct4-nucleosoma que generaron, cada una mostrando de 1 a 3 microsegundos de la vida útil del complejo, Huertas y Cojocaru observaron cómo Oct4 es capaz de abrir los nucleosomas. Describieron con detalle atómico los mecanismos de esta apertura comparando los movimientos de los nucleosomas libres y los unidos a Oct4.

Curiosamente, la apertura dependía de la posición de la secuencia de ADN reconocida por Oct4 en el nucleosoma y de la movilidad de las regiones terminales flexibles de las histonas, conocidas como colas de histonas.

Hacia la comprensión de los factores pioneros y las conversiones del destino celular

Los investigadores están entusiasmados con las implicaciones de su trabajo y la perspectiva futura. Cojocaru, ahora investigador líder en la Universidad Babeş-Bolyai, también tiene nombramientos como investigador principal en la Universidad de Utrecht y científico visitante en el MPI Münster, dice: “Mostramos aquí por primera vez en detalle atómico no solo cómo se une Oct4 a diferentes nucleosomas, sino también cómo la unión de Oct4 con las colas de las histonas afecta la flexibilidad estructural de estos nucleosomas”.

MacCarthy agrega que “debido a que las colas de histonas, al igual que los factores pioneros, también son reguladores clave de la expresión génica. Mientras que los factores pioneros se unen al ADN para abrir la cromatina y activar genes, las colas de histonas soportan modificaciones químicas que definen las regiones de cromatina abierta de las que proceden los genes. se puede expresar”.

Huertas explica además que “hasta ahora, ha sido un misterio cómo las colas de las histonas afectan la capacidad de los factores pioneros para unir y abrir nucleosomas. Nuestro trabajo allana el camino para futuros estudios de otros factores pioneros, muchos de los cuales son clave para las transformaciones celulares”. incluidas las conversiones de destino celular y el cáncer”.

Cojocaru dice: “El mecanismo que describimos aquí llena un vacío de conocimiento en la comprensión de cómo factores como Oct4 inducen transiciones de destino celular. La comprensión de estos mecanismos eventualmente proporcionará medios para optimizar y controlar tales transiciones para un uso exitoso en terapias. Y las simulaciones por computadora serán en el corazón de estos futuros descubrimientos”.


Las simulaciones por computadora visualizan cómo se reconoce el ADN para convertir las células en células madre


Más información:
Caitlin M MacCarthy et al, OCT4 interpreta y mejora la flexibilidad del nucleosoma, Investigación de ácidos nucleicos (2022). DOI: 10.1093/nar/gkac755

Proporcionado por la Sociedad Max Planck

Citación: Las simulaciones por computadora visualizan cómo una proteína esencial de células madre abre el ADN envuelto (22 de septiembre de 2022) recuperado el 22 de septiembre de 2022 de https://phys.org/news/2022-09-simulations-visualize-essential-stem-cell.html

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