El genoma humano en 3D

Los libros nos muestran la conformación estructural de nuestro genoma dividido en 23 pares de cromosomas, pero, en realidad, esta conformación sólo se da en un breve momento del ciclo celular, el resto del tiempo, el ADN está todo revuelto dentro del núcleo de la célula, altamente empaquetado, para que los casi dos metros que mide nuestro genoma, puedan caber en un espacio tan pequeño.

Pero, como hacen los genes para poder ser expresados en toda esta maraña altamente “desordenada”. La verdad es que, si bien parece que la organización del genoma es muy desordenada, no lo es. Por esta razón, conocer la organización de nuestros cromosomas en el núcleo es crítico para determinar las interacciones que hay entre los distintos genes ubicados en los distintos cromosomas, y los mecanismos de regulación de la expresión genética.

Lieberman-Aiden et. al desarrollaron un método para determinar que locus estaban espacialmente juntos en la configuración tridimensional de nuestro genoma. El método se llama Hi-C que consiste, básicamente, en ligar los locus cercanos, cortarlos, purificarlos y secuenciarlos paralelamente.

Los genes cercanos se unen usando formaldehído, el cual actúa a manera de goma, luego se cortan usando enzimas de restricción. Este corte deja pares de genes unidos y portando extremos pegajosos producto de la enzima de restricción, los cuales son usados para unirlos a sondas marcadas con biotina. Luego, los extremos son vueltos a unir en medios extremadamente diluidos, formándose una especie de anillos y portando un sitio de corte, justo en el sitio marcado con biotina, para que otra enzima de restricción abra la cadena. Luego estas regiones marcadas son purificadas y capturadas usando perlas con estreptavidina para luego ser secuenciados paralelamente y comparados con secuencias ya conocidas para determinar a que gen y cromosoma corresponden.

Luego, usando los datos de que locus están unidos espacialmente y a que cromosomas corresponden, se hizo una matriz de emparejamiento, de 1Mb de resolución, con ayuda de un programa informático. Se encontró una clara relación entre las distancias genéticas entre los locus (Pb de distancia entre un locus y otro dentro de un mismo cromosoma) con la probabilidad de estar juntos tridimensionalmente. A mayor distancia, menor probabilidad.

Las matrices de contacto fueron reproducibles, tanto con la misma enzima de restricción (HindIII) como con otra enzima (NcoII). Se observa, claramente, que los locus más cercanos están más en contacto que aquellos que están más distantes, tomando como ejemplo el cromosoma 14.

Las probabilidades de contacto de locus intracromosómicos son mayores que los contactos intercromosómicos, aún así, la distancia entre los locus sea de 200Mb. En cuanto a los cromosomas más pequeños pero ricos en genes, (cromosomas 16, 17, 18, 19, 20, 21 y 22) interactúan más veces entre ellos, que con los más grandes y con menor densidad génica.

Número de contactos intercromosomales cuantificados por pares (Observados/Esperados; 0.5 a 2.0). Los puntos rojos quiere decir que hay más contactos observados que esperados y los puntos azules que hay menos observados que esperados.

Se observó que las matrices de contacto adquirían un patrón cuadriculado y se distinguía claramente unos compartimientos. Gracias a esto se pudo hacer una aproximación a la forma de organización del genoma. Esta forma es increíble y extremadamente compleja, no se forma ningún tipo de nudo, no se entrelaza en ningún momento, como si fuera una pasta muy densa donde podemos coger uno de los fideos y estirarlos. Los fideos nunca se harán un nudo o entrelazarán con otros fideos. En términos matemáticos, la forma tridimensional del genoma es similar a la curva de Hilbert pero en tres dimensiones. El genoma se organiza de manera continua, sin entrelazarse o formarse nudos, lo que permite plegar y desplegar cualquier región del genoma de forma sencilla.

Arquitectura del genoma en tres escalas. Todas tienen el mismo patrón, pero uno dentro del otro (fractal). El primer globulo fractal, de unas cuantas Mb, pasa a formar monómeros para una segunda forma globular fractal, esta vez a nivel cromosómico, y esta, a su vez, forma monómeros de una tercera forma globular fractal, a nivel genómico, formando la estructura tridimensional del genoma.

Esta forma es solo un modelo, pero que puede responder muchas de las preguntas, sobre todo a como se expresan los genes si se encuentran altamente empaquetados. Este modelo permite que los genes se desplieguen y plieguen sin problemas ya que nunca se enredarán o se formarán nudos. Además, permite que los locus que están cerca tridimensionalmente puedan agruparse en sectores espaciales, las regiones azules se encuentran más distantes y las regiones rojas más cercanas. Sin dudas, este descubrimiento será de mucha importancia para entender como se regulan los genes, como interactúan con los potenciadores, silenciadores, componentes epigenéticos, factores de transcripción, etc.

Lieberman-Aiden, E., van Berkum, N., Williams, L., Imakaev, M., Ragoczy, T., Telling, A., Amit, I., Lajoie, B., Sabo, P., Dorschner, M., Sandstrom, R., Bernstein, B., Bender, M., Groudine, M., Gnirke, A., Stamatoyannopoulos, J., Mirny, L., Lander, E., & Dekker, J. (2009). Comprehensive Mapping of Long-Range Interactions Reveals Folding Principles of the Human Genome Science, 326 (5950), 289-293 DOI: 10.1126/science.1181369