Estudiar la regulación epigenética a nivel de molécula única

Si uno imagina el genoma como un manual de instrucciones para el funcionamiento de una célula, cada página de este manual está cubierta de anotaciones, resaltados y marcadores. El papel de algunas de estas marcas sigue siendo un misterio: ¿dirigen activamente al lector al lugar adecuado en el momento adecuado o simplemente indican las páginas que el lector ya ha visitado?

Esta sutil distinción en el lenguaje de la célula puede desempeñar un papel importante en su supervivencia y funcionamiento. Como han demostrado los investigadores del grupo de Krebs en EMBL Heidelberg, una de esas anotaciones, la metilación del ADN, ejerce una capa de control altamente selectiva sobre la expresión de los genes, que varía según el tipo de célula y el destino.

En la analogía anterior, las anotaciones, los resaltados y los marcadores representan lo que los científicos llaman «marcas epigenéticas», mientras que el «lector» suele ser la compleja maquinaria molecular responsable de la expresión génica. Este último incluye proteínas especializadas conocidas como factores de transcripción.

Cuando una región particular de ADN necesita expresarse, el área que la rodea sufre cambios físicos y químicos, haciéndola más accesible a tales máquinas moleculares. Si bien la metilación del ADN se encuentra en todo el genoma, permanece relativamente inexplorado si afecta esta accesibilidad en regiones genómicas específicas y cómo lo hace.

«Nuestro grupo está interesado en los mecanismos fundamentales que regulan la expresión génica», dijo Arnaud Krebs, líder de grupo en EMBL Heidelberg. «Estamos particularmente interesados ​​en elementos reguladores en cis como potenciadores: regiones de ADN que controlan la actividad de los genes».

El equipo de Krebs estaba intrigado por el hecho de que, si bien la metilación del ADN a menudo se reduce con los potenciadores activos, la relación causa-efecto entre los dos sigue sin estar clara. ¿La activación de estas regiones de ADN conduce a la eliminación de la metilación? ¿O la reducción en la metilación en sí impulsa la activación?

Para investigar esto, el equipo utilizó una técnica de alta resolución desarrollada en su laboratorio: la huella de una sola molécula. Este método les permitió medir simultáneamente la metilación del ADN, la accesibilidad y la unión del factor de transcripción, a nivel de moléculas de ADN individuales. Aplicaron esto en todo el genoma en múltiples tipos de células, incluidas las células madre embrionarias de ratón y las células diferenciadas. Esta combinación de escala y resolución permitió a los científicos obtener una comprensión más profunda del papel de la metilación del ADN en la regulación de genes en una célula viva.

El equipo descubrió que, si bien la accesibilidad de ~97 % de los potenciadores que estudiaron era insensible a la metilación del ADN, aproximadamente el 3 % requería la ausencia de metilación del ADN para activarse. En estos sitios, la metilación redujo la accesibilidad del ADN e impidió directamente la unión de los factores de transcripción. La identidad de estos potenciadores sensibles a la metilación varió según los tipos de células y las etapas.

«El 3 % de los potenciadores que parecen estar regulados por la metilación del ADN están enriquecidos con potenciadores específicos de tipo celular. Creemos que están conectados a genes que son importantes para la identidad celular», dijo Elisa Kreibich, Ph.D. estudiante del grupo de Krebs y primer autor del estudio, ahora publicado en Célula Molecular.

«Al hacer nuestras mediciones a nivel de moléculas individuales, podemos descubrir las conexiones e interacciones entre las capas de regulación de genes que existen en una célula», agregó Krebs. «Si bien la metilación del ADN se ha utilizado a menudo como marcador de procesos celulares, incluidos los relacionados con el cáncer, nuestro estudio muestra dónde es verdaderamente instructivo, en lugar de simplemente indicativo».