Open chromatin profiling key to identifying leukemia cells of origin

Fuente: http://www.sciencecodex.com/open_chromatin_profiling_key_to_identifying_leukemia_cells_of_origin-186059

Every cancer starts with a single cell, and Jackson Laboratory (JAX) researchers have found a precise and reliable way -- whole-genome profiling of open chromatin -- to identify the kind of cell that leads to a given case of leukemia, a valuable key to cancer prognosis and outcome.

"Knowing the cell of origin of cancer cells can provide insight into tumor subtypes and possibly diagnostic and therapeutic benefit," says JAX Assistant Professor Jennifer Trowbridge, Ph.D., the lead author of the study published in Nature Communications. "But existing methods to identify cell of origin from bulk tumor cell samples have been unsuccessful."

Chromatin is the material in the nucleus of the cell that condenses to form chromosomes during cell division, and consists of DNA, proteins called histones and RNA. Every type of cell has a characteristic chromatin structure that includes closed chromatin, which is tightly wound around nucleosomes and is relatively inactive, and open chromatin, looser stretches of the material that interact with regulatory elements encoded in DNA.

Trowbridge hypothesized that analyzing open chromatin in bulk tumor cells could provide a possible improved method to identify cancer cell of origin because of the cell-type specificity of chromatin structure.

Her lab worked with a mouse model of acute myeloid leukemia (AML) driven by expression of MLL-AF9, a fusion oncogene formed by a chromosome translocation between human chromosomes 9 and 11. They began with five distinct, normal cell types found in the bone marrow in both mice and humans: long-term hematopoietic stem cells (HSCs), short-term HSCs, multipotent progenitors, common myeloid progenitors and granulocyte macrophage progenitors. The AML that developed from these different cells of origin had different penetrance and aggressiveness when engrafted in mice, with the stem cell-derived lines being the most aggressive and the committed progenitor lines the least. These patterns were also reflected in the frequency of leukemia-initiating cells in each cell line, with HSCs having the highest frequency and committed progenitors having the lowest.

To profile the open chromatin in these distinct AML samples, and compare them to open chromatin patterns in normal cells, Trowbridge collaborated with Duygu Ucar, Ph.D., an assistant professor at JAX who develops computational models to study gene regulation including chromatin structure. Together they identified open chromatin signatures and gene expression patterns in AML samples that may allow stem cell-derived AML to be distinguished from progenitor cell of origin AML.

These results bear out indications in human data that the stage of a progenitor cell when it becomes transformed to leukemia has an impact on its clinical progression, with earlier-stage cell of origin cancers being more aggressive.

The researchers note that, with further study of open chromatin in normal human stem and progenitor cell types as well as AML patient cohorts, this profiling approach will identify precise regions with prognostic significance based on cell of origin; in other words, a valuable human cancer biomarker.

Moreover, Trowbridge says, the collaboration between her lab and Ucar's -- between wet-bench and computational scientists with complementary strengths in mouse modeling and human genomics -- is a highly promising model for future discovery.

"This study would not have been feasible without close collaboration with our computational colleagues that have great expertise in human genomics. This study took advantage of cutting-edge genomic and genome sequencing technologies that were new to us, and allowed us to rapidly extract the maximum value from these technologies, integrate and compare our findings to human genomic data, and reveal novel underlying biological mechanisms with the most promising translational relevance that we will continue to study."

Hallan factores que frenan la producción de células madre

Fuente: http://www.diariomedico.com/2015/12/10/area-cientifica/especialidades/biotecnologia/investigacion/hallan-factores-que-frenan-la-produccion-de-celulas-madre

El factor CAF-1 permite una producción más rápida y eficiente de células madre de pluripotencialidad inducida (iPS).

Un equipo austro-estadounidense ha aportado nueva información para una producción más efectiva de células madre: ha descubierto unos factores que dificultan la creación de células madre pluripotentes y cómo manejarlos para una generación más rápida de dichas células.

Aunque las células madre de pluripotencialidad inducida (iPS) son un poderoso recurso para la investigación biomédica y la ingeniería de tejidos, su producción implica normalmente protocolos lentos e ineficientes, lo que sigue siendo una de las principales limitaciones de esta tecnología.

Como posible solución a este problema, los investigadores han pensado desde hace tiempo en la existencia de factores que impiden la conversión de tejido normal en células madre pluripotentes, pero hasta ahora se sabe poco acerca de los elementos precisos que provocan estos obstáculos y su mecanismo de acción.

Científicos del Biocentro de Viena (VBC), en Austria, y la Universidad de Harvard, en Estados Unidos, han empleado métodos de cribado genético de nuevo desarrollo. A principios de 2014 se formó un equipo de investigación para intentar identificar esos factores que actúan como barrera, como se describe en el estudio que se acaba de publicar en Nature.

El equipo se centró en los reguladores de cromatina, los genes que controlan el embalaje y los marcadores de ADN, que son conocidos por ser la base de la memoria epigenética de una célula. "Las células tienen un cierto nivel de memoria", señala Johannes Zuber, del Instituto de Investigación en Patología Molecular (IMP), en Viena."Por ejemplo, una célula de la piel sabe que es una célula de la piel, incluso después de que se hayan introducido factores de Yamanaka [los genes que hay que añadir para inducir la diferenciación]. Queríamos saber qué factores de la cromatina estabilizan esta memoria y qué mecanismo evita que las células iPS se formen".

Para responder a esta pregunta, el equipo estableció una biblioteca genética centrándose en 615 reguladores de cromatina conocidos y diseñó un método de detección que permitió poner a prueba cada uno de estos factores.

Entre 615 genes, cuatro factores destacaban claramente y, de ellos, sólo uno había sido previamente descrito. Los nuevos son CHAF1A y chaf1b, formadores del complejo CAF-1 (factor 1 de ensamblaje de la cromatina) y UBE2I (conjugación de la ubicuitina de la enzima E2I).

Cuando los expertos probaron a fondo estos genes, los efectos fueron impresionantes: aunque la inhibición de los genes que actúan como barrera aumenta la reprogramación de iPS de tres a cuatro veces, eliminar CAF-1 o UBE2I hizo este proceso de 50 a 200 veces más eficiente. En ausencia de CAF-1, la reprogramación resultó ser mucho más rápida: mientras que el proceso tarda normalmente alrededor de nueve días, los investigadores en Viena podían detectar las primeras células iPS ya después de cuatro días.

"El complejo CAF-1 asegura que durante la replicación del ADN y la división celular las células hijas mantienen su memoria epigenética, que está codificada en las histonas alrededor de las que se enrolla el ADN -explica Ulrich Elling, del Instituto de Biología Molecular (IMBA), en Viena-. Cuando bloqueamos CAF-1, las células hijas no lograron envolver su ADN de la misma manera, perdiendo esta información y convirtiéndose en hojas de papel en blanco. En este estado, responden con mayor sensibilidad a las señales desde el exterior, lo que significa que podemos manipularlas mucho más fácilmente".

En la búsqueda de CAF-1, los investigadores identificaron un complejo que permite borrar la memoria celular y volver a escribirla, un avance muy esperado para la investigación con células madre. En su estudio, el equipo demostró que la supresión de CAF-1 vuelve la producción lenta e ineficiente de las células iPS en un método sencillo.

Pero la importancia de este descubrimiento probablemente va más allá. Los autores especulan con que CAF-1 puede proporcionar una clave general para facilitar la reprogramación de células en escenarios como el daño tisular y distintas enfermedades. Otro de los investigadores, Josef Penninger, también del IMBA, explica: "Con esta idea, tenemos una clave universal en nuestras manos que nos permitirá modelar las células a voluntad".

Reprogramando la reprogramación

Artículo publicado por Xavier Pujol Gebellí:

http://www.excelenciencia.org/articulo.asp?id=10363&catgrupo=52&tipocom=19

La generación de una célula pluripotente a partir de otra somática es un fenómeno ya bien establecido. Eso no significa que sea ni bien conocido ni mucho menos que sea un proceso rutinario en los laboratorios especializados. Como bien señala Pia Cosma, investigadora del Centro de Regulación Genómica (CRG) de Barcelona, hay un “altísimo número” de parámetros y vías biológicas que tienen un papel determinante que aún no se conocen al detalle. Uno de ellos, en el que lleva tiempo trabajando, es cómo se reorganiza la cromatina.

Imagen de la vía molecular definida por el gen Wnt, clave en la reprogramación celular.

Cuando el británico John B. Gurdon y el japonés Shinya Yamanaka recibieron el premio Nobel de Medicina en 2012 por su aportación a la investigación en células madre, la comunidad científica y la opinión pública de todo el globo creyeron estar frente al aldabonazo definitivo que debía permitir el rápido progreso de una de las mayores promesas de la biomedicina. Seis años antes, en 2006, el científico nipón había demostrado que una célula somática, de la piel, por ejemplo, podía desprogramarse hasta alcanzar el estado de célula madre y luego reprogramarse en cualquier tipo celular, desde neuronas a cardiomiocitos pasando por otra cualquier forma. Nacían las células iPS o con pluripotencialidad inducida.

El surgimiento de las nuevas formas celulares dejaba atrás, ni que fuera parcialmente, la agria y larga polémica sobre el uso de células madre embrionarias humanas en investigación y eventuales nuevas terapias. Prácticamente diez años después del descubrimiento de las células iPS, sin embargo, y a pesar del largo camino recorrido, las investigaciones en reprogramación celular aún deben ganar en eficiencia y efectividad. Todavía no puede decirse que la promesa se haya convertido en realidad.

La investigadora Pia Cosma, profesora ICREA en el Centro de Regulación Genómica (CRG) de Barcelona, lo sabe bien. Desde su laboratorio lidera distintos proyectos que tienen como objetivo principal esclarecer alguno de los aspectos clave de la reprogramación celular y la regeneración de tejidos. Se trata de aspectos básicos, como la reorganización de la cromatina tras la fusión de una célula somática con una célula madre, pero también hay aplicabilidad en sus trabajos, alguno de ellos en fase de estudio preclínico.

Pia Cosma: «Con este descubrimiento se escribe un nuevo paradigma: es un modelo completamente nuevo para explicar cómo se organiza la cromatina e intervenir en el proceso de diferenciación celular.»

La cromatina podría definirse como el conjunto de filamentos de DNA en mayor o menor grado de condensación que se forma durante la división celular y desemboca en la formación de cromosomas. Su función principal es proporcionar la información genética necesaria para que los orgánulos celulares puedan realizar la transcripción y síntesis de proteínas. Asimismo, también conservan y transmiten la información genética contenida en el DNA, duplicando el DNA en la reproducción celular. Es, pues, uno de los elementos clave de la transmisión genética y su conocimiento resulta indispensable para el control de la reprogramación celular.

Este es, precisamente, uno de los principales focos de atención del laboratorio dirigido por Cosma. Su objetivo es demostrar que la fusión de una célula somática con una célula madre, algo que lleva tiempo consiguiéndose con células madre embrionarias, es la mejor vía para reprogramar la primera en distintas formas celulares. Mediante el uso de células iPS se daría el doble fenómeno de desdiferenciación de una célula somática para alcanzar el estado de célula madre pluripotente. El añadido de factores biológicos específicos permitiría derivarla hacia el tipo celular escogido. Dicho de otro modo, la técnica debería permitir, y de hecho así lo hace, reprogramar una célula epitelial en una neurona.

Uno de los grandes problemas, no obstante, es la baja eficiencia que hasta el momento se está logrando con esta técnica, razona la investigadora. Controlar los mecanismos que rigen la formación de cromatina y su transformación en cromosomas podría resultar esencial. Y para ello es menester disponer de un método de visualización de la potencia y la resolución pertinentes.

Diferencia de resolución obtenida gracias a STORM, el nuevo modelo informático desarrollado conjuntamente por CRG e ICFO.

Una reciente colaboración entre el equipo dirigido por Cosma en el CRG junto con el liderado por Melike Lakadamyali en el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), se ha traducido en una potente herramienta para el visionado de la cromatina. Mediante el uso del innovador microscopio de superresolución, una nueva técnica óptica de última generación que recibió el premio Nobel de Química en 2014, Cosma y Lakadamyali han conseguido ver por vez primera, "e incluso contar”, las unidades más pequeñas que forman nuestro genoma. Esto es, los nucleosomas, el primer nivel de organización de los cromosomas y, por tanto, de la cromatina. La repetición periódica de los nucleosomas a lo largo del genoma, define el grado de empaquetamiento o de condensación del DNA durante la división celular. Las investigadoras, a través de métodos computacionales, han definido la arquitectura del genoma a escala nanométrica y han podido ver que los nucleosomas se empaquetan en grupos irregulares a través de la cromatina.

Los métodos computacionales, explica Cosma, han permitido desarrollar un modelo informático con el que simular la cromatina y su organización, el primero de este tipo accesible para la comunidad científica. Comparando células madre y células somáticas ya diferenciadas, se han podido constatar notables diferencias en la arquitectura de la fibra de cromatina de ambas, lo cual "se correlaciona con el nivel de pluripotencia, de modo que cuanto más pluripotente es una célula, menos denso es el empaquetado de los nucleosomas”.

La explicación que da la investigadora de origen italiano es que la densidad de los nucleosomas en la cromatina de las células madre es menor para permitir la integración de factores de transcripción, polímeros y otras moléculas. "Es más plástica, lo que favorece la activación de los genes precisos”. Conociendo esta estructura, por tanto, se puede intervenir para activar o inhibir un determinado gen y, por consiguiente, dirigir la reprogramación celular en el tipo deseado. "Podría decirse que con este descubrimiento se escribe un nuevo paradigma”, enfatiza Cosma. "Es un modelo completamente nuevo para explicar cómo se organiza la cromatina” e intervenir en el proceso de diferenciación celular.

La reprogramación celular es un campo que se encuentra ahora mismo en "franca expansión”, asegura Pia Cosma. Lo achaca sobre todo al "gran impulso mediático” que recibe este prometedor ámbito de la biomedicina desde el descubrimiento de las células iPS y el posterior premio Nobel recibido. Sin embargo, y como bien recuerda, las investigaciones y los primeros éxitos conseguidos se remontan a la década de los años sesenta del siglo pasado. "Es un campo de moda para la opinión pública de todo el mundo.”

Dinámica de la proteína Nanog en el proceso de reporgrmación celular.

Y así es en efecto, al menos en el último decenio. Hay razones para ello. De entrada, la reprogramación celular y todo cuanto rodea a la investigación en células madre lleva implícito un debate ético aún no superado. Por otro lado, no deja de ser la antesala de otro campo que explosionará en los próximos años, el de la regeneración de tejidos. O lo que es lo mismo, una de las grandes promesas de la medicina del futuro, regenerar un corazón dañado, o un cerebro o una médula espinal. Nadie puede asegurar con certeza cómo y cuándo sucederá. Pero tarde diez o veinte años en hacerse realidad, lo que sí es seguro es que moverá ingentes cantidades de dinero. La única opción es estar bien posicionado para cuando llegue el momento.

Mientras, y casi como siempre ocurre en ciencia, de lo que se trata es de ir dando pasos desde el mundo académico y asegurar la protección de la propiedad intelectual pertinente. Lo han hecho Pia Cosma y su colega Melike Lakadamialy para sus respectivos centros con su nuevo modelo informático. Si se cumple su sueño, serán partícipes con beneficios económicos para CRG e ICFO, y eventualmente de alguna empresa del sector farmacéutico o biotecnológico, de la medicina del futuro que ya se escribe en presente.

Una fotografía en alta resolución de nuestro ADN

Fuente: http://elpais.com/elpais/2015/03/12/ciencia/1426165381_714630.html

Vista del genoma con la nueva técnica óptica. 

El núcleo de una célula humana alberga unos dos metros de material genético, nuestro libro de instrucciones. En estos dos metros, el ADN se empaqueta en cromosomas y estos se organizan en nucleosomas, unos ovillos de proteínas que dan lugar a la fibra de cromatina, una estructura con apariencia de collar de perlas. Por primera vez, los científicos han observado en animales, de forma no invasiva y con suficiente calidad los nucleosomas. Es una fotografía en alta resolución de nuestro genoma.

Hasta ahora se pensaba que los nucleosomas estaban muy compactados y se esparcían de forma regular en la cromatina. En cambio, nuevos experimentos con células madre y células adultas de humano y ratón muestran que se empaquetan de forma diferente. Además, el estudio añade que están separados por regiones de ADN libres de nucleosomas.

El matiz tiene grandes implicaciones. A escala nanométrica, de millonésimas partes de un milímetro, la arquitectura interna del genoma está correlacionada con el nivel de pluripotencia de la célula, su capacidad para diferenciarse en cualquier otro tipo celular. Cuanto más pluripotente es una célula menos rígido es el empaquetado de su material genético, según las conclusiones de un estudio publicado en la revista Cell por un equipo de biólogos del Centro de Regulación Genómica (CRG) y físicos del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), ambos en Barcelona.

“Hemos descrito un nuevo modelo que explica cómo se estructuran las fibras de cromatina”, subraya Pia Cosma, investigadora en el CRG y coautora del estudio, hecho con la técnica de microscopía galardonada con el último premio Nobel de Química. Este equipo introduce en la literatura científica el concepto de “puesta de huevos” para referirse a la heterogeneidad en los tamaños de los grupos de nucleosomas repartidos en nidadas a lo largo de la fibra de cromatina.

Mientras que en las células ya diferenciadas (una célula de hígado, de músculo, una neurona...) las nidadas de nucleosomas son densas, compactas y muy pobladas, en las células madre (que dan lugar a todas las demás) el número de nucleosomas por cada nidada es menor y su empaquetado es más laxo. Cosma intuye que la arquitectura de la cromatina en las células madre podría favorecer algunos factores de transcripción, las proteínas que regulan la activación de un gen o de un grupo de genes. “El ADN sería más accesible porque estaría más abierto”, teoriza a partir de los resultados.

Esta investigación básica ofrece nuevas pistas para entender mejor el funcionamiento de las células madre. En concreto, los cambios en la cromatina durante los procesos de reprogramación y diferenciación celular. Por ejemplo, este conocimiento podría contribuir a entender mejor la fisiología del cáncer observando la arquitectura interna de una célula cancerígena. “Quizás tengan una estructura diferente”, especula Cosma.

En el CRG también confían en poder aplicar el hallazgo a desarrollar un sistema para discernir de forma más ágil el grado de pluripotencia de una célula madre reprogramada (iPS) a partir de una adulta en el laboratorio. Las iPS son una viga de la medicina regenerativa, cuyo objetivo es extraer células adultas del paciente, transformarlas en células madre y emplearlas para regenerar sus tejidos dañados. “Los test que utilizamos para diferenciar entre las iPS humanas buenas y menos buenas son muy trabajosos”, comenta Cosma, que ha dedicado parte de su investigación a la inducción de células madre y la reprogramación de células madre de retina.

Hasta ahora la tecnología no permitía identificar la cantidad y la posición de los nucleosomas en células vivas. “Probablemente veremos una explosión de la nueva biología en los próximos años gracias a las aportaciones de la microscopía fluorescente de superresolución”, comenta Melike Lakadamyali, la investigadora del ICFO que ha manipulado el microscopio STORM, ganador del Nobel.

Esta técnica, con un coste de entre 200.000 y 500.000 euros, mejora la calidad de las imágenes a 20 nanómetros. Un microscopio óptico convencional las conseguía a 300 nanómetros a causa de la difracción. Sin embargo, Lakadamyali apunta que la superresolución es una técnica “aún relativamente lenta” en comparación con sus predecesoras. Añade que el método deberá mejorar la velocidad para captar las dinámicas celulares con precisión de milisegundos.

La nanoscopía ya se había utilizado para visualizar otros procesos biológicos como la división del núcleo celular, pero “la mayoría de estudios previos se habían basado en la prueba de concepto”, contextualiza Lakadamyali sobre la nueva tecnología que permite observar el ADN y los nucleosomas.

Su grupo es pionero en la utilización de este microscopio para observar la cromatina y los nucleosomas en combinación con aproximaciones cuantitativas y simulaciones numéricas en células humanas de piel e iPS (reprogramadas), así como en células de ratón embrionarias y precursoras de neurona. La biología celular y la neurociencia, asegura Lakadamyali, son los dos campos que más se pueden beneficiar de esta tecnología.

Asocian el empaquetado del genoma humano a la pluripotencia de las células

Fuente: http://www.redaccionmedica.com/secciones/avances/asocian-el-empaquetado-del-genoma-humano-a-la-pluripotencia-de-las-celulas-79383

Investigadores del Centro de Regulación Genómica (CRG) y el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Barcelona han logrado mediante microscopía de ultra-resolución visualizar por primera vez cómo se empaqueta el genoma humano, comprobando que no se hace de forma regular como se pensaba hasta ahora. Además, han visto diferencias en función del estado de la célula madre.

Hasta ahora se pensaba que el ADN se empaquetaba mediante la repetición periódica de los nucleosomas --el primer nivel de organización de los cromosomas-- a lo largo de todo el genoma, lo que da lugar a la cromatina. Sin embargo, la falta de técnicas e instrumentos adecuados había impedido observar de una manera no invasiva y sin resolución la organización de la cromatina dentro del núcleo de una célula.

En este trabajo, publicado en la revista 'Cell', ambos centros de investigación han sido capaces de visualizar e incluso contar las unidades más pequeñas que, empaquetadas juntas, forman el genoma.

Para ello, han contado con una nueva técnica óptica de microscopía de super-resolución con la que, junto a aproximaciones cuantitativas innovadoras y simulaciones numéricas, también fueron capaces de definir la arquitectura del genoma a escala nanométrica.

De este modo, encontraron que los nucleosomas se empaquetan en grupos irregulares a través de la cromatina y que están separados por regiones de ADN libres de nucleosomas.

"Hemos sido capaces de ver e incluso contar nucleosomas a través de las fibras de cromatina, así como determinar su organización. Supera el límite de difracción, factor que normalmente limita la resolución espacial de los microscopios convencionales, y nos permite definir con precisión la estructura de la fibra de cromatina", ha reconocido Melike Lakadamyali, líder de grupo en el ICFO.

Asimismo, esta técnica permitió a los investigadores ir aún más allá y, mediante la comparación entre células madre y células diferenciadas (células especializadas que ya han adquirido su rol), pudieron observar diferencias considerables en la arquitectura de la fibra de cromatina de ambas células.

"Encontramos que las células madre tienen una estructura de la cromatina diferente de las células somáticas (especializadas). Al mismo tiempo, esta diferencia se correlaciona con el nivel de pluripotencia; cuanto más pluripotente es una célula, menos denso es su empaquetado", según ha destacado Pia Cosma, jefe de grupo y profesora de investigación ICREA en el CRG.

Un hallazgo que, según esta experta, da nuevas pistas para entender el funcionamiento de las células madre así como su estructura genómica, lo que será de gran utilidad para el estudio de la reprogramación celular.

A pesar de que todas las células contienen la misma información genética, no se expresan todos los genes al mismo tiempo. Por lo tanto, cuando una célula se especializa, algunas de las regiones de ADN se silencian o se encuentran menos accesibles a la molécula que lee el genoma: la ARN polimerasa.

De este modo, según la especialización de las células se producirán diferentes niveles de empaquetamiento del ADN, lo que establece una nueva comprensión de cómo se configura y se empaqueta la fibra de cromatina formando una estructura específica de ADN en cada célula.

El mapa más completo de la maquinaria que regula el genoma humano

Fuente: http://www.elmundo.es/salud/2015/02/18/54e47dc5268e3e46728b457c.html

En febrero de 2001 se conocía lo que marcaría un antes y después en la investigación biomédica mundial, la publicación del mapa del genoma humano. También es en febrero (pero 14 años después) cuando se da a conocer otro logro de dimensiones parecidas, aunque eso sí con menos glamour: el mapa del epigenoma humano, es decir, la maquinaria que regula la activación genética y las funciones celulares.

Este menor atractivo quizás se deba a la complejidad que puede suponer para el público en general entender lo que es el epigenoma y cuál es su importancia. No es extraño. Los estudios sobre epigenética empezaron hacia 1995 o 1996, mientras que la investigación en genética comenzó mucho antes. Para explicar qué es el epigenoma, Manel Esteller, uno de los padres de esta disciplina, establece un símil cercano: "Podríamos decir que el genoma es el hardware y el epigenoma el software, es decir, la programación del ordenador". Si estuviéramos hablando de una orquesta, los instrumentos serían los componentes del ADN mientras que los músicos serían las marcas epigenéticas que indican cuándo deben sonar, con cuánta intensidad y en qué momento, "el genoma es algo más estático, pero el epigenoma es dinámico y refleja mucho más el dinamismo de las enfermedades". En resumidas cuentas, el epigenoma es muy importante para establecer las funciones celulares, la salud y el desarrollo de enfermedades; diríamos que determinante.

Pero ese 'programa informático' que enciende o apaga los genes, es reversible porque regula el genoma en función del ambiente. Por ejemplo, si uno fuma o si toma demasiado el sol, eso actúa sobre la maquinaria química (epigenoma) que contribuye a que ciertos genes vinculados con el cáncer se activen. De hecho, hay muchos laboratorios en el mundo trabajando para desarrollar fármacos que modulen esa actividad.

Ahora, en 24 estudios publicados en varias revistas del grupo Nature, se muestra la culminación de años de investigación de cientos de científicos que forman parte de un proyecto denominado Programa del Mapa Epigenómico que los Institutos Nacionales de Salud (NIH, según sus siglas en inglés) de Estados Unidos impulsaron en 2008 con una financiación de 190 millones de dólares y que finalizó en 2014. Aunque este trabajo ha ido publicándose fragmentadamente a lo largo de estos años, es ahora cuando se da a conocer todo lo generado y su interpretación.

La inmensidad de datos generados se pone ahora a disposición de los investigadores de todo el mundo, que podrán utilizarlos para sus propios estudios y avanzar en el conocimiento de cómo esta maquinaria actúa en el desarrollo de enfermedades.

"La secuencia de ADN del genoma humano es idéntica en todas las células del cuerpo, pero los tipos celulares -como las células del corazón, del cerebro o de la piel- tienen unas características únicas y son susceptibles de forma exclusiva a varias enfermedades", explica en un comunicado Joseph F. Costello, director de uno de los cuatro Centros del Mapeo del Epigenoma de los NIH que han contribuido a los datos del programa. "Al guiar cómo los genes se expresan, los epigenomas permiten a células que llevan el mismo ADN diferenciarse en más de los 200 tipos celulares que conforman el cuerpo humano".

Para conocer bien cómo es el epigenoma que influye en la diferenciación de cada tejido, este grupo de investigadores analizó hasta 40 tejidos: placenta humana, esperma, células de la mama, de la sangre, de la piel o del cerebro, entre otros. También se han analizado los epigenomas responsables de distintas funciones fisiológicas.

"Las diferentes combinaciones de marcas epigenéticas caracterizan diferentes regiones del genoma, reflejando funciones específicas que tienen un papel en las células. Estudiando estas combinaciones sistemáticamente podemos aprender el lenguaje del epigenoma, y lo que nos está diciendo sobre la actividad y función de cada región genómica en cada uno de los tipos celulares", aclara Manolis Kellis, socio de Laboratorio de Inteligencia Artificial y Ciencia Computacional del MIT, que ha sido el investigador que ha integrado y analizado las bases de datos producidas en este proyecto.

Entre los muchos resultados obtenidos, se ha visto que la metilación del ADN (la adición de grupos químicos al genoma que establece el estado de encendido o apagado de los genes) afecta a cómo las células madre se diferencian en células nerviosas. Además, se ha demostrado que otra forma de regulación epigenómica -la modificación de la cromatina (proteína que empaqueta el material genético y altera la expresión de los genes)- también tiene un papel en la diferenciación de las células madre, o que ciertos perfiles epigenéticos se relacionan con patrones de mutaciones asociadas al cáncer.

"Este trabajo es muy importante porque esta información será pública y todos nos podremos beneficiar y estudiar cómo se altera en enfermedades", explica Esteller, director del programa de Epigenética y Biología del Cáncer del Instituto de Investigación Biomédica de Bellvitge (IDIBELL) y que está involucrado en un proyecto homólogo en Europa, denominado Blueprint Epigenome, que se inició hace cuatro años. "Mi laboratorio se encarga del epigenoma de la leucemia infantil y hemos encontrado una firma epigenética que permite predecir qué leucemias infantiles no van a responder bien a la quimioterapia. Esto evitará dar este tratamiento innecesariamente y usar otras terapias o que estos niños entren en ensayos clínicos", señala.

Porque en la investigación estadounidense también se ha analizado el patrón epigenético de ciertos tumores, como el mieloma, el cáncer de colon o el de cerebro, entre otros. Al comparar ese perfil con las secuencias genómicas de células normales, identificaron las características de cada uno, lo que puede llevar a su origen. Como indica John Stamatoyannopoulos, profesor asociado de la Universidad de Washington en el departamento de Oncología y coautor de uno de los estudios, "este trabajo podría tener implicaciones para el tratamiento -frecuentemente, nos enfrentamos en la clínica a personas que presentan cáncer metastásico de origen desconocido, lo que hace muy difícil elegir correctamente el régimen terapéutico de inicio. Estos resultados que muestran la secuencia genómica de las mutaciones del cáncer es un predictor tan fuerte de su origen celular que podría guiarnos en esas decisiones terapéuticas, y podría ser cada vez más factible como lo es la secuenciación del genoma del cáncer que se está convirtiendo en algo rutinario".

Los trabajos que se publican ahora son, para Esteller, reflejo del big data, es decir, de la tecnología que permite producir e interpretar millones de datos. "Es un trabajo muy en red, con tecnología de última generación, y es la respuesta a una apuesta política importante. La visión del Gobierno americano es muy poco cortoplacista, a diferencia de lo que pasa aquí, que es una visión a dos años", se queja el investigador español.

Otro dato destacable obtenido de esta investigación es que la epigenómica explica las diferencias encontradas entre nuestros pares de cromosomas, la copia del padre y de la madre. Antes se pensaban que estos eran idénticos, pero no es así, y esas diferencias están reguladas no por el azar sino por el epigenoma. Por ejemplo, los resultados explican por qué todos los niños de una familia tienen el mismo pelo del padre y los ojos de la madre.

Ahora que ya se ha conseguido el mapa epigenómico de diferentes células y tejidos, el siguiente paso, apuntan los investigadores, será rastrear los perfiles epigenéticos de personas para comprender más sobre cómo varían de un individuo a otro para así establecer el origen entre algunas de estas marcas epigenéticas y la enfermedad. "Este representa el mayor avance en el esfuerzo de comprender cómo los 3.000 millones de letras del ADN de una persona, del libro de instrucciones, son capaces de generar actividades moleculares tan diferentes, dependiendo del contexto celular", afirma Francis Collins, director de los NIH. "Este flujo de publicaciones enriquecidas de datos, producidas por un extraordinario equipo de creativos científicos, ofrecen un poderoso impulso para el fructífero campo de la epigenómica".

Descubren un nuevo “truco” que usan las células madre para desempaquetar su ADN

Fuente: http://alt1040.com/2014/01/empaquetamiento-adn-celulas-madre

Científicos suecos desenmascaran el proceso biológico que podría asociarse con el comportamiento de las células madre. Este mecanismo, conocido como citrulinación, también interviene en el desarrollo del cáncer o de enfermedades autoinmunes, tales como la artritis reumatoide.

Las células madre son aquellas capaces de dar lugar a cualquier tipo de célula de nuestro cuerpo. A partir de ellas, por ejemplo, podemos formar células renales especializadas, con el objetivo de crear mini-riñones que pudieran ser utilizados como trasplantes del futuro.

¿Por qué pueden las células madre convertirse tan rápidamente en células especializadas, y sin embargo, el proceso inverso no se da con tanta facilidad? El secreto se encuentra en el ADN, que porta la información genética necesaria; en otras palabras: las instrucciones para que cada célula cumpla un papel determinado en un lugar y momento específicos.

Para que estas instrucciones sean "leídas" correctamente, el genoma de cada célula se encuentra más o menos empaquetado. ¿Qué significa esto? Cuanto más empaquetado se encuentre, gracias a la labor de unas proteínas llamadas histonas, peor podrá leerse su información genética. Sin embargo, si conseguimos "relajar" dicho empaquetamiento, es más fácil que pueda leerse la secuenciación de unos determinados genes.

¿Qué tiene que ver el empaquetamiento con las células madre? Cuanto más empaquetado esté el ADN de estas células, peor se podrá leer su información genética, y por tanto, será más difícil que estas células den lugar a otras células más especializadas. Sin embargo, si conseguimos flexibilizar su empaquetamiento de alguna manera, lograremos que sea más sencillo leer el ADN de estas células madre, y por ello, que puedan especializarse en otros tipos celulares.

Una nueva investigación realizada por científicos del Instituto Karolinska de Suecia ha determinado la relación entre la citrulinación y las células madre. En el empaquetamiento del genoma de nuestras células, intervienen dos características importantes: la carga negativa del ADN y la carga positiva de las histonas antes mencionadas.

Sin embargo, si en la célula interviene la citrulinación, la carga positiva de estas proteínas se "relaja", posibilitando que también se flexibilice el empaquetamiento del ADN. En otras palabras, este mecanismo biológico participaría en los cambios genéticos que deben ocurrir para pasar de células madre a células especializadas.

Su investigación, publicada en Nature, ha servido para asociar por primera vez la citrulinación con las células madre. Este proceso biológico funciona de forma que un elemento de las proteínas (llamado arginina) pueda convertirse en citrulina. El interrogante principal se basa ahora en desvelar la relación que tiene este mecanismo con otros sucesos que ocurren en nuestro organismo, además del ya mencionado con las células madre.

Y es que estudios recientes ya relacionan este proceso de citrulinación con el desarrollo de cáncer o de enfermedades autoinmunes, tales como la artritis reumatoide. En este segundo caso, el cambio proteico que induce la citrulinación sería diferente al de las células madre, ya que lo que provocaría, en principio, sería marcar a las proteínas de nuestro organismo con una especie de "etiqueta", de forma que fueran identificadas por nuestras defensas como algo extraño. Esta es la razón por la que en las patologías autoinmunes, el cuerpo reacciona contra el propio cuerpo.

La investigación sueca, por tanto, es la primera que logra asociar el proceso de la citrulinación con el comportamiento que presentan las células madre, a través del fortalecimiento o la relajación del empaquetamiento del ADN. Conocer más acerca de la biología de nuestras células es fundamental, ya que ello posibilitará que poseamos mejores dianas terapéuticas en el futuro.

New mechanism for genome unpacking in stem cells

Fuente: http://ki.se/ki/jsp/polopoly.jsp?d=130&a=173056&l=en&newsdep=130


Scientists at Karolinska Institutet and Gurdon Institute in Cambridge, United Kingdom have identified a novel mechanism that allows pluripotent stem cells to maintain their genome in an unpacked state, and thereby maintain their unique property to give raise to all types of specialized cells in the body. The findings are presented in the journal Nature.

Gonçalo Castelo-Branco 

Photo: Ulf Sirborn

Embryonic stem cells and induced pluripotent stem cells have the capacity to give rise to all cell types present in the adult body. To maintain this immature state, genes that are turned on in specialized cells must remain inactive in pluripotent cells, but ready to be quickly activated upon maturation into, for example, a cell in the skin or liver. The genome of a cell is packed in the nucleus, in a structure called chromatin. If the chromatin packing is tight (condensed), activatory molecules cannot access parts of the genome that control the activation of genes. Thus, for a certain gene to be activated, the chromatin structure must be unpacked (decondensation).

Pluripotent stem cells are unique in that their genome is partially unpacked (chromatin decondensation), when compared to specialized cells, to allow rapid activation of differentiation genes upon a given stimuli. In this published study, an international team, lead by Professor Tony Kouzarides, at the Gurdon Institute, University of Cambridge, identified a specific enzymatic activity, called citrullination, that contributes to decondensed chromatin state in pluripotent cells.

"The genome (DNA) is highly negatively charged and is associated in the chromatin structure with proteins called histones, which are highly positively charged. We found that in pluripotent cells, citrullination reduces the charge of some histones, weakening their association with the genome and contributing to decondensation", says Gonçalo Castelo-Branco, principal investigator at Karolinska Institutet and co-first author in the study with Maria Christophorou of the Gurdon Institute.

Gonçalo Castelo-Branco's research group at Karolinska Institutet is now investigating roles for citrullination in other immature cells, such as oligodendrocyte precursors in the brain, which participate in myelin regeneration in multiple sclerosis, MS.

Research in this study was funded by grants from Cancer Research UK, the Swedish Research Council, EMBO, European Union 7th Framework Programme (FP7) Marie Curie Actions, among others grants. Gonçalo Castelo-Branco implemented parts of the study at the Gurdon Institute, where he was previously a researcher, and at Karolinska Institutet. Among the study authors is also professor John Gurdon, laureate of the Nobel Prize in Physiology or Medicine 2012. Apart from Sweden and United Kingdom, scientists from Denmark, Brasil and USA participated in the study.

Publication:

Maria A. Christophorou*, Gonçalo Castelo-Branco*, Richard P. Halley-Stott, Clara Slade Oliveira, Remco Loos, Aliaksandra Radzisheuskaya, Kerri A. Mowen, Paul Bertone, José Silva, Magdalena Zernicka-Goetz, Michael L. Nielsen, John Gurdon and Tony Kouzarides *equal contribution, co-first authors

"Citrullination regulates pluripotency and histone H1 binding to chromatin"

Nature, online 26 January 2014, doi: 10.1038/nature12942

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Gonçalo Castelo-Branco

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E-mail: Goncalo.Castelo Branco@ki.se

Department of Medical Biochemistry and Biophysics

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