Un método para analizar cómo las células interpretan y hacen efectivas sus instrucciones

Amparo Tolosa, Genética Médica News

 

Cada célula tiene un complejo libro de instrucciones, conocido como genoma, que debe interpretar y hacer efectivas. La secuencia del ADN contiene los elementos necesarios para producir materiales estructurales y funcionales, pero cómo deben de producirse, en qué cantidad o cuándo vienen determinados en gran medida por señales, marcas o mecanismos que no están en la secuencia del ADN.  Por ejemplo,  algunos de estos mecanismos, denominados epigenéticos , controlan cómo de accesible es el ADN a la maquinaria de transcripción necesaria para copiar a ARN las instrucciones del ADN que deben hacerse efectivas. Si el ADN es accesible puede facilitarse su transcripción. Por el contrario, si permanece compactado, se limita la expresión de los genes.

La nueva técnica permite analizar de forma simultánea en cada célula qué genes se están expresando y cómo de accesible es la cromatina a la maquinaria de transcripción. Imagen: Rubén Megía.

Estudiar la biología de los órganos y tejidos de los seres vivos implica conocer qué genes se están expresando en sus células. Cada tejido puede contener diferentes tipos de células, por lo que, a nivel técnico, la opción más precisa sería determinar qué ocurre en cada célula individual. En los últimos años se han desarrollado diversas tecnologías y aproximaciones para analizar las células de forma individualizada. Sin embargo, normalmente los métodos únicamente permiten obtener un tipo de información, epigenética o de expresión.

Una nueva aproximación, desarrollada en la  Universidad de Washington combina dos ensayos diferentes, uno que informa de la accesibilidad del ADN a las proteínas de unión del ADN, y otro que permite secuenciar el ARN transcrito. El método utiliza etiquetas para marcar el ADN accesible y el ARN de cada célula de una muestra, de forma que se pueda secuenciar todo el ADN y ARN de la muestra de forma global y después se identifique qué ARN y ADN accesible corresponden a una misma célula.

Como prueba de concepto los investigadores realizaron dos experimentos. En uno de ellos utilizaron la técnica combinada, denominada sci-CAR para estudiar la respuesta al cortisol en un modelo con células de cáncer de pulmón. Los investigadores utilizaron una molécula que imita al cortisol que activa el receptor de glucocorticoides y se une a diferentes posiciones del genoma, regulando la expresión de múltiples genes. El equipo tomó muestras de células a diferentes tiempos tras el tratamiento y obtuvo perfiles de secuenciación de ARN y perfiles de accesibildiad al ADN. Gracias a la técnica sci-CAR los investigadores fueron capaces de obtener ambos tipos de perfiles para 4.828 células (de 6.093 perfiles de ARN y 6.085 perfiles de accesibilidad al ADN obtenidos).

En un segundo experimento, el equipo analizó muestras de riñón de ratón, con el objetivo de obtener información epigenética combinada con análisis de expresión. En este caso el equipo obtuvo perfiles de expresión y accesibilidad a la cromatina de 11.296 células, lo que permitió identificar hasta 14 tipos diferentes de células en función de sus características.

 

sci-CAR
El término epigenética hace referencia al conjunto de elementos que regulan la expresión de los genes sin modificar la secuencia del ADN. Imagen: Darryl Leja, National Human Genome Research institute (www.genome.gov)

 

A partir de ambos experimentos, los investigadores encontraron que además de informar de perfiles epigenéticos y de expresión ci-CAR también permite establecer relaciones entre elementos reguladores del genoma y los genes que regulan, lo que podría ser útil para explicar las diferencias de expresión entre tipos celulares, señalan los autores del trabajo.

El análisis combinado de sci-CAR ofrece ventajas frente a las pruebas que solo proporcionan información de expresión génica o accesibilidad a la cromatina. A pesar de que requiere mayor cálculo bioinformático para analizar los resultados obtenidos, proporciona una visión más completa de lo que ocurre en las células y permite analizar múltiples muestras por experimento.

Dentro de las limitaciones actuales, los autores destacan la escasez de resultados obtenidos, especialmente en el caso de la accesibilidad a la cromatina. Además, la posibilidad de relacionar elementos reguladores lejanos de los genes que regulan solo puede ser aplicada a una minoría de genes. No obstante, señalan que el protocolo puede ser optimizado para proporcionar más información. Además, plantean que en el futuro el análisis de ARN y de accesibilidad del ADN se pueda combinar con otros análisis. El objetivo a largo plazo, concluyen, será adaptar el método combinatorio en células individuales para que puedan analizarse de forma simultánea ADN, ARN y proteínas.

Referencia: Cao J, et al. Joint profiling of chromatin accessibility and gene expression in thousands of single cells. Science. 2028. Doi: http://dx.doi.org/10.1126/science.aau0730

Fuente: DNA accessibility, gene expression jointly profiled in 1,000s of cells. https://newsroom.uw.edu/news/dna-accessibility-gene-expression-jointly-profiled-1000s-cells

 

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