Explican la organización del ADN en los cromosomas a partir de interacciones repetitivas entre nucleosomas
Un artículo del profesor de la UAB Joan-Ramon Daban analiza en profundidad los problemas físicos asociados al empaquetamiento del ADN, que a menudo se han dejado de lado en los modelos estructurales de los cromosomas. El estudio publicado en la revista Small Structures demuestra que la organización multilaminar del ADN, propuesta a partir de investigación experimental previa realizada en la UAB, es totalmente compatible con las propiedades estructurales y funcionales de los cromosomas. Esta organización puede explicarse a partir de interacciones débiles entre nucleosomas, que son los bloques repetitivos que pliegan la doble hélice de ADN.
La estructura multilaminar del ADN propuesta por los investigadores de la UAB es autoconsistente y compatible con las propiedades estructurales y funcionales de los cromosomas
Las moléculas de ADN genómico de los organismos eucariotas son enormemente largas y deben plegarse muchísimo para adaptarse a las dimensiones micrométricas de los cromosomas compactados durante la mitosis para proteger la información genética antes de la división celular. Las proteínas histonas se seleccionaron muy pronto en la evolución para transformar el ADN en filamentos de cromatina formados por muchos nucleosomas. La parte central de cada nucleosoma (partícula núcleo) es una estructura cilíndrica (5,7 nanómetros de altura y 11 de diámetro) formada por aproximadamente dos vueltas de ADN (147 pares de bases) que rodean a un octámero de histonas. La comprensión del mecanismo de plegamiento que conduce a una alta compactación de los filamentos de cromatina de los cromosomas ha sido un importante reto científico durante décadas.
Un modelo estructural físicamente coherente y realista para la organización del ADN en los cromosomas debe ser compatible con todas las restricciones físicas impuestas por las propiedades estructurales y funcionales observadas de los cromosomas. Debe ser compatible con la alta concentración de ADN y la forma cilíndrica alargada de los cromosomas y las propiedades autoasociativas conocidas de la cromatina, y también debe ser compatible con una protección eficaz del ADN cromosómico contra el entrelazamiento topológico y la rotura mecánica. Lamentablemente, estas restricciones no se tienen en cuenta en distintos modelos propuestos a partir de resultados obtenidos con varias técnicas experimentales y estudios de modelización por ordenador.
Figura: Relación entre las propiedades autoasociativas de los nucleosomas a escala nanométrica y la estructura micrométrica de los cromosomas. Figura adaptada de JR Daban (Small Structures, 2024, 2400203) bajo los términos de la licencia CC BY 4.0.
En el laboratorio del profesor del Departamento de Bioquímica y Biología Molecular de la UAB Joan-Ramon Daban, se encontró previamente —mediante técnicas de microscopía electrónica de transmisión, microscopía de fuerza atómica y criotomografía electrónica— que la cromatina emanada de los cromosomas preparados en condiciones iónicas de metafase forma placas planas multicapa, en las que cada capa tiene el espesor correspondiente a una hoja mononucleosomal. A partir de estos resultados, los investigadores de la UAB proponen que el filamento de cromatina de los cromosomas se pliega según un patrón regular formado por muchas capas apiladas a lo largo del eje del cromosoma. Este modelo multicapa es compatible con todas las restricciones físicas consideradas anteriormente. Además, justifica la geometría de las bandas cromosómicas y las translocaciones observadas en los análisis citogenéticos, y es compatible con mecanismos físicos factibles para el control de la expresión génica y para la replicación, reparación y segregación del ADN en las células hijas.
Los cromosomas pueden ser considerados como cristales líquidos autoorganizados
Los nucleosomas son bloques de construcción repetitivos introducidos en la estructura lineal monótona de la doble hélice de ADN. Se ha demostrado en distintos laboratorios que las partículas núcleo nucleosomales aisladas tienen una gran tendencia a interactuar a través de sus caras laterales formando grandes estructuras columnares. Presumiblemente, de acuerdo con las propiedades de los sistemas de materia blanda, la dinámica que se genera entre estas interacciones anisótropas débiles entre nucleosomas y la energía térmica podría ser responsable de la formación de estas estructuras columnares. En el modelo de cromosoma multilaminar, la interacción débil repetitiva entre nucleosomas provoca el apilamiento de muchas capas de cromatina. Estas interacciones de baja energía a escala nanométrica justifican la autoorganización de cromosomas enteros, que pueden considerarse cristales líquidos lamelares, reticulados internamente por el esqueleto covalente de una sola molécula de ADN.
La formación espontánea de estructuras tridimensionales bien definidas está de acuerdo con la investigación contemporánea en nanociencia y nanotecnología, que ha ido obteniendo muchas estructuras impresionantes de diferentes tamaños, autoasociadas a partir de diferentes bloques de construcción repetitivos biológicos y sintéticos. El profesor Daban considera que la biología molecular descubrió la autoasociación de diversas estructuras biomoleculares, pero actualmente la investigación sobre la autoorganización de sistemas de materia blanda se está desarrollando principalmente en el campo de la nanotecnología.
El artículo se ha publicado en la revista interdisciplinaria Small Structures, que pone el foco en trabajos sobre las microestructuras construidas a partir de nanopartículas, tanto desde el punto de vista de la nanotecnología como de las ciencias de la vida.
Publicación:
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