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La primera estructura tridimensional del genoma completo de una bacteria

martes, 25 de octubre de 2011

La primera estructura tridimensional del genoma completo de una bacteria
Un equipo de investigadores de la Universidad de Massachussetts Medical School, de Harvard Medical School, de la Universidad de Standford y del Centro de Investigación Príncipe Felipe (CIPF) de Valencia han descifrado la estructura tridimensional del cromosoma de la bacteria 'Caulobacter crescentus'.

El análisis de la estructura resultante --publicado en Molecular Cell-- ha revelado nuevas pruebas sobre la función de las secuencias genéticas responsables de su arquitectura, según han informado fuentes del equipo de investigación en un comunicado.

Hasta el momento, los científicos conocían que la arquitectura de los genomas juega un papel relevante en cómo se regulan genéticamente la células. Por lo tanto, el conocimiento de la arquitectura de un genoma puede ser utilizado tanto para interpretar como para predecir funciones genéticas y celulares. Sin embargo hasta el momento, las limitaciones técnicas hacían imposible el estudio estructural de genomas enteros.

En el trabajo presentado esta semana, los investigadores han sido capaces de construir el primer modelo tridimensional de un genoma entero de bacteria. El análisis de las estructuras resultantes desvela la localización tridimensional del sitio genómico llamado parS y la definición del mismo como el principal regulador de la arquitectura del cromosoma de 'Caulobacter crescentus'.

Mark Umbarger, de la Universidad de Harvard y coprimer autor del artículo, ha indicado que al inicio del proyecto, las tecnologías existentes resultaban "insatisfactorias" para conocer qué elementos regulan la arquitectura del genoma de 'Caulobacter crescentus', por lo que decidieron "desarrollar nuevas técnicas que integraran experimentos y computación".

Los métodos resultantes permiten estudiar la arquitectura de genomas enteros a través de la combinación de técnicas que incluyen la detección de interacción de cromatina, la modelación computacional y la microscopía de fluorescencia.

Los investigadores utilizaron la tecnología 5C para mapear más de 28.700 puntos de contacto en el genoma de la bacteria 'Caulobacter crescentus' y emplearon estos puntos para hacer aproximaciones acerca de la distancia espacial en el cromosoma plegado de la bacteria.

Conectados a un modelo computacional, estos puntos revelaron la estructura del cromosoma de la bacteria, que presentaba una forma elipsoidal con brazos dispuestos helicoidalmente en ambos lados.

El doctor y biólógo computacional A. Marti-Renom, que lidera el Laboratorio de Genómica Estructural del Centro de Investigación Príncipe Felipe, ha indicado que este trabajo "demuestra que los métodos híbridos que combinan mapas 5C con computación están produciendo modelos tridimensionales de genomas completos a una resolución sin precedentes, que por primera vez permiten precisar los elementos reguladores responsables de organizar la arquitectura de un genoma".

De hecho, los modelos tridimensionales del genoma del 'Caulobacter crescentus', confirmados con microscopía de fluorescencia, ilustran que la secuencia parS, situada en el extremo de un brazo del cromosoma, podría servir como ancla y ser instrumental en la definición de la estructura del genoma.

BACTERIA MUTANTE

Para comprobar qué papel juega la ubicación de parS en la organización tridimensional de la estructura del cromosoma, el equipo de investigadores desarrolló una bacteria mutante en la que la secuencia parS había cambiado su posición normal.

Construyendo modelos de la forma de esta bacteria transgénica, los científicos observaron un cambio en la estructura del genoma, de manera que ésta había rotado en el sentido de las agujas del reloj. Modificando la posición de parS, la arquitectura del cromosoma volvía a cambiar reposicionando estas ubicaciones hacia los polos de la célula.

Estos resultados sugieren que la localización de parS en la bacteria 'Caulobacter crescentus' determina la orientación y la estructura global del genoma entero y actúa como el único elemento de la secuencia que establece anclaje del cromosoma a la célula.

La posibilidad de realizar estudios de la estructura funcional en los cromosomas tiene el potencial de revelar nuevos datos sobre el genoma.

EUROPA PRESS

Reparan una mutación genética en un paciente humano sin dejar alteraciones secundarias

jueves, 13 de octubre de 2011

Reparan una mutación genética en un paciente humano sin dejar alteraciones secundarias
Un nuevo método de terapia génica corrige de manera perfecta la secuencia genómica de un paciente con una mutación causante de cirrosis hepática y enfisema pulmonar. En este trabajo, que acerca más las terapias celulares personalizadas a la clínica, ha participado el Instituto de Biomedicina y Biotecnología de Cantabria.

Por primera vez, un grupo de científicos ha corregido, sin producir alteraciones secundarias, una mutación genética humana en células madre de un paciente. El resultado, que aparece publicado en la revista Nature el 12 de octubre, da un paso más allá en el desarrollo de terapias personalizadas.

El equipo de científicos, en el que han participado miembros del Instituto de Biomedicina y Biotecnología de Cantabria (instituto mixto Universidad de Cantabria-CSIC) liderados por investigadores del Wellcome Trust Sanger Institute y la Universidad de Cambridge, ha utilizado como diana una mutación genética causante de la cirrosis hepática y del enfisema pulmonar.

Empleando las más modernas tecnologías, han sido capaces de corregir la secuencia genómica del paciente, sin producir ninguna alteración secundaria, y demostrado que el gen corregido funcionaba normalmente. “Las células, una vez reparadas, no presentan ningún signo del defecto génico original y son capaces de funcionar normalmente”, declara a SINC Ignacio Varela, investigador del Instituto de Biotecnología y Biomedicina de Cantabria (IBBTEC), institución encargada de validar la seguridad de esta investigación.

“Una de la mayores dificultades en la aplicación de terapias génicas para el tratamiento de enfermedades humanas es la necesidad de manipular células del paciente en un laboratorio para corregir el defecto génico heredado, lo que implicaba introducir en el ADN del paciente secuencias génicas ajenas o extrañas” explica Varela.

Desde Cambridge han desarrollado “nuevos sistemas para actuar sobre genes específicos, integrando todos los componentes para corregir de manera eficiente los defectos en las células de los pacientes”, declara Allan Bradley, director emérito del Wellcome Trust Sanger Institute. “Nuestros sistemas no dejan ninguna huella de la manipulación genética, a excepción del gen corregido. “Estamos en un estadio temprano de desarrollo pero si esta tecnología puede trasladarse a la clínica, ofrecerá grandes beneficios a los pacientes”.

Reparar el gen sin efectos secundarios

Los investigadores usaron células madre inducidas humanas (hIPSCs) para su investigación ya que, una vez reprogramadas en la placa Petri, estás células pueden convertirse en una gran variedad de tejidos. Si las células madre provenientes de un paciente con un defecto genético pueden ser corregidas, los científicos creen que una vez reintroducidas en el paciente estas células pueden tratar los efectos de la mutación que causa la enfermedad. Para conseguir este objetivo, se necesitan nuevos métodos para reparar el gen sin producir alteraciones adicionales.

Para esta investigación, el equipo se centró en la deficiencia causada por una mutación en la alfa-1-antitripsina, un gen que es activo en el hígado, donde es responsable de generar una proteína que protege frente a una inflamación excesiva. Las personas con una alfa-1-antitripsina mutante no pueden expulsar correctamente la proteína fuera del hígado, donde se queda atrapada generando a la larga cirrosis hepática y enfisema pulmonar. Esta es la enfermedad congénita más común del hígado y del riñón, y afecta a una de cada 2.000 personas del norte de Europa.

Trabajos previos en Cambridge mostraban que era posible transformar células de piel en células hepáticas mediante la reprogramación de células madre. El grupo de investigación se basó en estos estudios para corregir con éxito y de manera perfecta el gen de la alfa-1-antitripsina en una línea celular establecida con la mutación.

Selección cuidadosa de las células madre

Gracias a 'tijeras moleculares' para cortar el genoma en el sitio preciso, insertaron posteriormente una versión correcta del gen usando una transportador de DNA denominado piggyBac. Las secuencias de este transportador fueron finalmente eliminadas de las células, que pudieron convertirse en células hepáticas sin ningún tipo de daño genético en el sitio de la corrección.

Los científicos han demostrado que la copia correcta del gen se activaba de forma correcta en las nuevas células hepáticas generadas, evidenciando la presencia de proteína alfa-1-antitripsina normal tanto en el tubo de ensayo como en experimentos con ratones.

“Este estudio representa el primer paso hacia la terapia celular personalizada para las enfermedades genéticas del hígado”, explica el doctor Ludovic Vallier, miembro senior del Medical Research Council e investigador principal en MRC Centre for Stem Cell Biology and Regenerative Medicine y en el departamento de cirugía de la Universidad de Cambridge. “Todavía hay grandes obstáculos que solucionar antes de que pueda existir una aplicación clínica, pero ahora tenemos las herramientas necesarias para seguir avanzando para conseguir ese objetivo”, afirma.

El grupo de científicos mostró que el genoma de las células madre contiene frecuentemente mutaciones por causas aún desconocidas. Sin embargo, los investigadores fueron capaces de usar las últimas tecnologías de secuenciación para encontrar células con un número mínimo de mutaciones, cuyas consecuencias genéticas fueron cuidadosamente examinadas. Es necesaria una selección cuidadosa de las células madre generadas para poder usar esta tecnología de manera segura para el paciente.

Paso final: el 'cambiazo' celular

En los pasos finales del proyecto, los investigadores extrajeron células directamente de un paciente con deficiencia en alfa-1-antitripsina y corrigieron la mutación exactamente de la misma manera a como lo habían hecho con la línea celular. Las células reparadas producían posteriormente proteína alfa-1-antitripsina normal.

“Ya que no hay actualmente ninguna cura para esta enfermedad salvo el trasplante de hígado, y dada las dificultades por las que pasa el plan nacional británico de trasplante de hígado, como resultado del gran incremento de la frecuencia de enfermedades hepáticas, se están buscando urgentemente terapias alternativas”, declara David Lomas, profesor de Biología Respiratoria de la Universidad de Cambridge y médico consejero en los hospitales de Addenbrooke's y Papworth.

Lomas, que ha estado trabajado durante 20 años en el mecanismo de la deficiencia en alfa-1-antitripsina y trata pacientes con esta condición, afirma que esta investigación “es un paso crítico para el desarrollo de tratamientos para estos pacientes. "Es una serie de resultados brillantes, fundados en una fuerte investigación y en la generosa participación de nuestros pacientes. Uno de los siguientes pasos será explorar el uso de esta técnica en estudios clínicos”, añade.

UC/SINC
 

2010 ·Genoma y Vida by TNB