Enredados: un viaje a la estructura 3D del ADN

Si inicio este artículo mencionando el ADN, lo primero que vendrá a tu mente es la imagen popularizada de la cadena doble hélice que todos conocemos y que originalmente describieron Watson y Crick en el año 1953, y que les valió el premio Nobel de Medicina en 1962. Sin embargo, esta representación del ADN como una cadena lineal, típica de series y películas, está lejos de la realidad. ¿Sabías que cada una de nuestras células contiene dos metros de ADN? En total, cada ser humano posee más de 20 mil millones de kilómetros de ADN. ¡Una cantidad equivalente a 26.000 viajes de ida y vuelta a la luna! Pero quizás lo más sorprendente es que esos dos metros de ADN se encuentran alojados dentro del núcleo de la célula, el cual solo tiene 6 micras de diámetro. Para ponerlo en perspectiva, si el núcleo de nuestras células fuera del tamaño de una pelota de golf, el ADN en su interior mediría más de 14 kilómetros.

A pesar de nuestra tendencia a creernos el centro del universo, los humanos no somos los ejemplos más sorprendentes en muchas cosas, incluyendo lo que respecta a nuestro genoma. Si estos valores mencionados parecen extremos, son minúsculos cuando los comparamos con lo que ocurre en las plantas. Por ejemplo, cada núcleo celular de la planta Paris japonica, una planta rizomatosa endémica de Japón, contiene aproximadamente 100 metros de ADN (la longitud de un campo de fútbol), lo que es 50 veces más que en humanos. 

Pero, ¿cómo se alcanza esta tremenda diferencia en el tamaño de los genomas si el número total de genes no refleja esa disparidad? Muchos genomas de plantas han sufrido duplicaciones de su ADN a lo largo de la evolución, presentando varias copias de cada cadena de ADN. Además, los genomas de plantas son ricos en elementos repetidos y transposones, secuencias de ADN que pueden moverse y copiarse dentro del genoma de una célula. Este proceso puede causar mutaciones y aumentar la cantidad de ADN del genoma, generando inestabilidad en los genomas, pero también mucho potencial evolutivo y adaptativo, algo que las plantas necesitan para compensar su incapacidad de escapar frente a condiciones de estrés. 

Dentro del núcleo de la célula, el ADN se encuentra altamente enrollado y organizado en distintos niveles de plegamiento que permiten minimizar el espacio tridimensional que ocupa dentro del núcleo

Pero volviendo a nuestra línea de pensamiento principal ¿no les da curiosidad de saber cómo los organismos vivos son capaces de contener tanto ADN dentro de sus células? Pues todo vuelve a nuestra primera premisa, y es que la imagen del ADN como una cadena lineal es imprecisa. Dentro del núcleo de la célula, el ADN se encuentra altamente enrollado y organizado en distintos niveles de plegamiento que permiten minimizar el espacio tridimensional que ocupa dentro del núcleo. Esto incluye la organización en cromosomas (46, dos veces 23 cromosomas distintos, en el caso de los humanos), el enrollamiento del ADN en proteínas llamadas histonas (imaginémoslas como los carretes donde enrollamos hilo de coser) y plegamientos tipo lazos o bucles del ADN que acercan regiones distantes de esta molécula. Básicamente, pensemos que es más fácil organizar nuestro costurero si enrollamos el hilo en bobinas que si intentamos poner metros y metros de hilos de distintos colores todos sueltos dentro de una caja. 

Pero tal nivel de organización y compactación conlleva un problema; ¿cómo puede la célula acceder a la información genética codificada en el ADN cuando la necesita si el ADN está tan compactado? No podemos coser un botón en una camisa sin desenrollar el hilo de una bobina, ¿verdad? Y allí radica la belleza de la vida dentro del núcleo: la célula es capaz de compactar y relajar distintas partes de su ADN según lo necesite, o según la información que contenga. En parte, esto hace que las células de nuestros ojos, hígado, huesos, piel, etc., sean tan distintas, a pesar de que cada una de ellas tenga copias idénticas de nuestro ADN. Las regiones del ADN que codifican para genes suelen fluctuar entre estados relajados y activos, y estados reprimidos según la situación o identidad celular. A su vez, amplias regiones del ADN, en particular aquellas que contienen transposones, se mantienen altamente condensadas y apagadas para evitar que estos elementos salten por el genoma generando desarreglos nocivos. 

A pesar de su viejo rótulo de “ADN basura”, y el esfuerzo de la célula en mantenerlos a raya, los transposones son elementos fascinantes. De hecho, su descubrimiento por Barbara McClintock al estudiar los diferentes colores de granos de mazorcas de maíz como resultado de la acción de transposones le valió en 1983 el premio Nobel de Medicina, siendo la primera mujer en ganarlo y la única que ha recibido dicho reconocimiento en solitario. En plantas, una de las particularidades de los transposones es su capacidad de generar ARNs pequeños que son responsables de patrullar el núcleo celular induciendo la metilación del ADN, lo que conduce a su compactación y el silenciamiento de amplias regiones del genoma manteniendo el “ovillo” de ADN bien organizado. 

En el IHSM La Mayora, estudiamos los mecanismos que gobiernan la producción de estos ARNs pequeños y cómo estos son capaces de modificar la organización tridimensional del ADN y la expresión de cientos de genes

En el IHSM La Mayora, estudiamos los mecanismos que gobiernan la producción de estos ARNs pequeños y cómo estos son capaces de modificar la organización tridimensional del ADN y la expresión de cientos de genes. El impacto evolutivo de los transposones sobre el genoma de plantas y cómo estos ayudan a las plantas a adaptarse a nuevos ambientes, o a cambios en sus ambientes habituales, son ejes centrales en algunos de nuestros proyectos de investigación. Comprender cómo funcionan los mecanismos que regulan la organización del ADN, y por ende la expresión génica, es fundamental para desarrollar estrategias biotecnológicas que permitan afrontar los cambios climáticos que estamos enfrentando y futuros ambientes que pueden volverse hostiles a nuestros cultivos. ¿Y si les digo que estamos usando edición génica de transposones para mejorar cultivos como fresas o altramuces (nuestros queridos chochitos) sin modificar ni un solo gen codificante y solo cambiando cómo está plegado el ADN dentro célula? Suena a ciencia ficción, ¿verdad? Pues en el IHSM La Mayora estamos en eso, ¡qué emocionante es la ciencia! 

Ahhh también investigamos como la planta elimina el producto de aquellos genes cuando no les son útiles. Pero nuestras aventuras en el fascinante mundo de los micros ARNs y el silenciamiento génico se las cuento en nuestro próximo post…