Investigadores de la Usal identifican un nuevo nivel de información en la secuencia del DNA

"Hemos descubierto el secreto de la vida", anunciaron James Watson y Francis Crick desde un pub de Cambridge en 1953. El secreto al que se referían era el DNA, la estructura celular hereditaria encargada de mantener la información genética necesaria para crear un ser vivo similar a sus progenitores. Desde que se descubriera el DNA los trabajos que se centran en explicar el funcionamiento del código genético son incontables y, en esta línea, se encuentran muchas de las investigaciones desarrolladas por los científicos del Instituto de Biología Genómica y Funcional (IBFG, centro mixto Universidad de Salamanca/CSIC).

En concreto, en el laboratorio del grupo de Organización Funcional del Genoma Eucariótico, dirigido por Francisco Antequera, profesor de investigación del CSIC, en colaboración con Luis Quintales, catedrático en Lenguajes y Sistemas Informáticos de la USAL, se acaba de identificar "un nuevo nivel de información en la secuencia del DNA", según informaron los responsables de la investigación a Comunicación Universidad de Salamanca. El hallazgo ha sido publicado recientemente en la prestigiosa revista científica "Genome Research", que suele seleccionar mensualmente tan solo unos diez artículos sobre genómica para su difusión mundial.

Organización de la célula: DNA y cromatina

Para entender este estudio es necesario revisar cómo se organiza la información genética en un organismo. En todos los núcleos de las células de los seres vivos se encuentran unas estructuras encargadas de la herencia biológica, los cromosomas, compuestos por fragmentos denominados genes que, a su vez, están formados por moléculas de DNA (ácido desoxirribonucleico).

El conjunto de toda esta información genética se denomina genoma y almacena las claves para la diferenciación de las células que forman los distintos seres vivos. Pero, para la configuración de los distintos organismos no solo importa la información contenida en el genoma, sino que también es esencial cómo está organizada para facilitar el acceso físico a las proteínas que lo regulan.

Nucleosomas: "maletas" de 10 micras para 2 metros de cromosomas

La comunidad científica constató hace tiempo que el tamaño de la secuencia de cromosomas es mucho mayor que el tamaño del núcleo de las células, por lo que debe compactarse enormemente a la vez que mantiene su funcionalidad. Además, la secuencia de DNA varía a lo largo del genoma, mientras que la posición de los nucleosomas está muy conservada. Esto hizo preguntarse a los científicos del IBFG si la molécula de DNA poseía un código de información que determinase su posición.

El equipo de Francisco de Antequera confirmó su sospecha al descubrir que, junto con los distintos niveles de información conocidos del DNA que articulan la organización y funcionamiento de los distintos organismos, la propia molécula posee un nivel de información adicional, desconocido hasta ahora, para determinar el propio y 'minucioso' empaquetamiento de toda esa cadena de información en los nucleosomas.

Hasta la fecha "nunca se había tenido en cuenta esta posibilidad", como afirma el investigador, "ya que se aceptaba que los nucleosomas y la secuencia del DNA eran dimensiones independientes y no existía una dependencia tan estrecha entre ellos", explica. Este hallazgo sirvió para constatar que la carga genética de un organismo y su correcta expresión en el individuo también está imprescindiblemente unida al orden en que los nucleosomas estén dispuestos en el interior de la célula.

Nuevo nivel de información genómica específico para cada organismo

Las investigaciones de los científicos del IBFG continúan arrojando datos relevantes respecto a la complejidad de este nuevo nivel de información descubierto. Sobre las particularidades de este orden programado el catedrático de la USAL Luis Quintales explica que "a través de la elaboración de mapas genómicos, teniendo en cuenta los algoritmos y los datos obtenidos en las investigaciones de secuenciación masiva, se ha observado que los nucleosomas de una especie siempre se sitúan en la misma posición dentro del genoma", advierte.

Al respecto, Antequera destaca que este nivel de información del genoma, desconocido hasta ahora, es sorprendente "no solo porque determina la posición nucleosomal, sino porque esta es específica y exclusiva de cada especie". Además, esta investigación ha servido para "demostrar que los nucleosomas del genoma de un organismo determinado han coevolucionado con él, hasta el punto de que no son capaces de empaquetar con la misma eficiencia el DNA de otras especies", añade el investigador del IBFG.

Y así, mediante diferentes observaciones genómicas y bioinformáticas realizadas sobre las moléculas de distintas levaduras y su posterior análisis computacional, el grupo de investigación ha identificado este nuevo nivel de información del genoma, al que han descrito como nucleosomal signatures.

Éxito en la remasterización de secuencias de genomas en levaduras

Tras el hallazgo, los científicos se plantearon la remasterización o modificación del patrón de distribución de nucleosomas específico para cada organismo, en la búsqueda de que pudiesen adoptar un perfil compatible a la secuencia genómica de una célula receptora distinta.

Esta remasterización de la secuencia de algunos genes del genoma de un organismo ha sido realizada computacionalmente por Luis Quintales. ¿En qué consiste exactamente? En realizar pequeños cambios sobre la secuencia del DNA respetando su codificación original, de manera que pueda incorporar un nivel de información adicional que permita la adaptación de la secuencia inicial al patrón de distribución de nucleosomas de otra especie.

Como señalan los investigadores del proyecto, "podemos remasterizar una secuencia genómica de una especie para introducirla en un organismo distinto y que, aunque siga produciendo sus proteínas originales, se adapte a la estructura tridimensional o nucleosomática que posee la célula en la que se va a introducir".

Los experimentos de remasterización han funcionado y demuestran que la organización nucleosomal del organismo receptor sí es capaz de empaquetar el genoma remasterizado, como indican los análisis computacionales realizados por Quintales; un acierto que abre puertas a la investigación para la manipulación de secuencias genéticas entre organismos de distintas especies.

Este éxito es el que ha llevado a los investigadores del IBFG a solicitar una patente a nivel europeo para diseñar genomas sintéticos, confiando en que la remasterización de las secuencias genómicas de distintas levaduras pueda mejorar la productividad industrial y biotecnológica.

Con respecto a ello, los científicos señalan que su trabajo se centra en los genomas de las levaduras porque en primer lugar, "la tecnología que utilizamos actualmente no abarca la posibilidad de crear mapas sobre el genoma humano, 200 veces más grande que el de la levadura; pero también porque a nivel biotecnológico se trabaja habitualmente con este organismo, de manera que la efectividad de la patente, si utilizamos levaduras, es potencialmente mayor", concluyó Francisco Antequera.

El trabajo, denominado "La influencia de la secuencia del DNA sobre la posición de los nucleosomas en el genoma", ha sido desarrollado íntegramente por el grupo de investigación del Instituto de Biología Genómica y Funcional compuesto por Sara González, Alicia García, Enrique Vázquez, Rebeca Serrano y Mar Sánchez -dirigidos por Antequera y Quintales- en el marco del proyecto sobre "Dinámica nucleosomal e Ingeniería de la cromatina" financiado por el Ministerio de Economía, Industria y Competitividad.