Expliquen l'organització de l'ADN als cromosomes a partir d'interaccions repetitives entre nucleosomes
Un article del professor de la UAB Joan-Ramon Daban analitza en profunditat els problemes físics associats a l'empaquetament de l'ADN, que sovint s'han deixat de banda en els models estructurals dels cromosomes. L’estudi publicat a la revista Small Structures demostra que l’organització multilaminar de l'ADN, proposada a partir de recerca experimental prèvia feta a la UAB, és totalment compatible amb les propietats estructurals i funcionals dels cromosomes. Aquesta organització es pot explicar a partir d’interaccions febles entre nucleosomes, que són els blocs repetitius que pleguen la doble hèlix d’ADN.
Les molècules d'ADN genòmic dels organismes eucariotes són enormement llargues i s'han de plegar moltíssim per adaptar-se a les dimensions micromètriques dels cromosomes compactats durant la mitosi per protegir la informació genètica abans de la divisió cel·lular. Les proteïnes histones es van seleccionar ben aviat en l'evolució per transformar l'ADN en filaments de cromatina formats per molts nucleosomes. La part central de cada nucleosoma (partícula nucli) és una estructura cilíndrica (5,7 nanòmetres d'alçada i 11 de diàmetre) formada per aproximadament dues voltes d'ADN (147 parells de bases) que encerclen un octàmer d'histones. La comprensió del mecanisme de plegament que condueix a una alta compactació dels filaments de cromatina dels cromosomes ha estat un important repte científic durant dècades.
Un model estructural físicament coherent i realista per a l'organització de l'ADN en els cromosomes ha de ser compatible amb totes les restriccions físiques imposades per les propietats estructurals i funcionals observades dels cromosomes. Ha de ser compatible amb l'alta concentració d'ADN i la forma cilíndrica allargada dels cromosomes i les propietats autoassociatives conegudes de la cromatina, i també ha de ser compatible amb una protecció eficaç de l'ADN cromosòmic contra l'entrellaçament topològic i el trencament mecànic. Malauradament, aquestes restriccions no es tenen en compte en diferents models proposats a partir de resultats obtinguts amb diverses tècniques experimentals i estudis de modelització per ordinador.
Figura: Relació entre les propietats autoassociatives dels nucleosomes a escala nanomètrica i l'estructura micromètrica dels cromosomes. Figura adaptada de JR Daban (Small Structues, 2024, 2400203) sota els termes de la llicència CC BY 4.0.
Al laboratori del professor del Departament de Bioquímica i Biologia Molecular de la UAB Joan-Ramon Daban es va trobar prèviament —mitjançant tècniques de microscòpia electrònica de transmissió, microscòpia de força atòmica i criotomografia electrònica— que la cromatina emanada dels cromosomes preparats en condicions iòniques de metafase forma plaques planes multicapa, en les quals cada capa té el gruix corresponent a un full mononucleosomal. A partir d'aquests resultats, els investigadors de la UAB proposen que el filament de cromatina dels cromosomes es plega segons un patró regular format per moltes capes apilades al llarg de l'eix del cromosoma. Aquest model multicapa és compatible amb totes les restriccions físiques considerades anteriorment. A més, justifica la geometria de les bandes cromosòmiques i les translocacions observades en les anàlisis citogenètiques, i és compatible amb mecanismes físics factibles per al control de l'expressió gènica i per a la replicació, reparació i segregació de l'ADN a les cèl·lules filles.
Els cromosomes es poden considerar com cristalls líquids autoorganitzats
Els nucleosomes són blocs de construcció repetitius introduïts en l'estructura lineal monòtona de la doble hèlix d’ADN. S'ha demostrat en diferents laboratoris que les partícules nucli nucleosomals aïllades tenen una alta tendència a interactuar a través de les seves cares laterals i formar grans estructures columnars. Presumiblement, d’acord amb les propietats dels sistemes de matèria tova, la dinàmica que es genera entre aquestes interaccions anisòtropes febles entre nucleosomes i l’energia tèrmica podria ser responsable de la formació d'aquestes estructures columnars. En el model de cromosoma multilaminar, la interacció feble repetitiva entre nucleosomes provoca l'apilament de moltes capes de cromatina. Aquestes interaccions de baixa energia a escala nanomètrica justifiquen l'autoorganització de cromosomes sencers, que es poden considerar cristalls líquids lamel·lars, reticulats internament per l'esquelet covalent d'una sola molècula d'ADN.
La formació espontània d’estructures tridimensionals ben definides està d'acord amb la investigació contemporània en nanociència i nanotecnologia, que ha anat obtenint moltes estructures impressionants de diferents mides, autoassociades a partir de diferents blocs de construcció repetitius biològics i sintètics. El professor Daban considera que la biologia molecular va descobrir l'autoassociació de diverses estructures bimoleculars, però actualment la recerca sobre l'autoorganització de sistemes de matèria tova s'està desenvolupant principalment en el camp de la nanotecnologia.
L'article s'ha publicat a la revista interdisciplinària Small Structures, que posa el focus en treballs sobre les microestructures construïdes a partir de nanopartícules, tant des del punt de vista de la nanotecnologia com de les ciències de la vida.
Publicació:
Joan-Ramon Daban. Rethinking models of DNA organization in micrometer-sized chromosomes from the perspective of the nanoproperties of chromatin favoring a multilayer structure. Small Structures 2024, 2400203. http://doi.org/10.1002/sstr.202400203