Organización espacial de genes eucarióticos transcritos

El proceso básico de la vida, conocido como transcripción, es el proceso mediante el cual la información genética almacenada en el ADN es copiada por enzimas específicas llamadas ARN polimerasas en moléculas de ARN. A pesar de un gran progreso en nuestra comprensión de los mecanismos moleculares de la transcripción, hasta ahora se sabe muy poco sobre la organización espacial de los genes individuales expresados. Prácticamente todo lo que sabemos es que la transcripción se produce en el interior nuclear, donde se localizan los genes que se transcriben de forma más activa. La investigación realizada por un equipo dirigido por Irina Solovei en Biozentrum de LMU, en colaboración con Leonid Mirny (MIT, Cambridge, EE. UU.) y otros, investigó ahora la organización espacial de la transcripción y el comportamiento de los genes transcritos y descubrió un mecanismo que contradice un concepto predominante.

Según la hipótesis más popular, las ARN polimerasas se agrupan en una especie de fábrica de transcripción estacionaria, por la que se acercan y atraviesan los genes activados. Se sabe, sin embargo, que en los cromosomas especializados gigantes, los sitios de inicio y terminación de la transcripción están fijos en el espacio y las secuencias expresadas se repiten. Por lo tanto, en este caso, los genes permanecen estacionarios pero las ARN-polimerasas se mueven a lo largo de los genes.

«Siempre sospeché que no podía haber dos mecanismos de transcripción fundamentalmente diferentes en los eucariotas. Esto plantea la cuestión de qué se mueve y qué permanece estacionario», dice Solovei. El biólogo asume que la resolución de los microscopios ópticos modernos no es lo suficientemente buena en la mayoría de los casos para hacer visibles los bucles de transcripción observados en los cromosomas gigantes. Sucede que, en eucariotas, los genes que se expresan con frecuencia son a menudo muy cortos (demasiado cortos para la resolución disponible), mientras que los genes grandes generalmente no se expresan mucho y, por lo tanto, no son adecuados para los estudios de transcripción.

El equipo de Solovei identificó varios genes largos y altamente expresados ​​en células de ratón, que podían resolverse con un microscopio óptico, e investigó su estructura. Los científicos descubrieron que estos genes se despliegan durante la transcripción, separando sus extremos y expandiéndose con fuerza en el espacio nuclear. De esta forma, forman bucles de transcripción similares a los de los cromosomas gigantes.

Como demostraron los investigadores, las polimerasas de ARN se mueven a lo largo de estos bucles y transportan moléculas de ARN nacientes, experimentando un proceso de maduración de ARN característico de los eucariotas. «La forma y la expansión de los bucles de transcripción de los cromosomas que albergan sugieren que los bucles de transcripción son estructuras rígidas», dice Solovei. Los autores plantean la hipótesis de que los genes altamente expresados ​​se vuelven rígidos porque están densamente decorados con múltiples ARN nacientes, que en combinación con las proteínas de unión al ARN forman partículas voluminosas.

Esta hipótesis está respaldada por un modelado polimérico de genes expresados ​​realizado por el grupo de Leonid Mirny. Al simular el comportamiento de los genes transcritos, los investigadores demostraron que los genes modelados recapitulan los observables biológicos solo cuando adquieren cierta rigidez. «Lo más sorprendente para mí es el gran tamaño de los bucles de transcripción: hasta 10 micrómetros», dice Mirny. «Parece que un solo gen largo puede desplegarse y atravesar la mayor parte del núcleo».

«Los resultados del estudio muestran», dice Heinrich Leonhardt, jefe del laboratorio de Biología Humana y BioImagen, «que incluso en nuestro tiempo dominado por la biología molecular, la microscopía sigue siendo una herramienta importante y poderosa para estudiar cuestiones biológicas básicas».