Cambios en la cromatina durante la diferenciación de células progenitoras neuronales

La alta plasticidad celular es una característica clave de las células pluripotentes, lo que les da la capacidad de adaptarse a diferentes señales de desarrollo y diferenciación. Esta adaptabilidad está impulsada por procesos moleculares complejos que ocurren simultáneamente a diferentes niveles, como el genoma, el transcriptoma y la estructura de la Cromatina.

Uno de los cambios significativos durante el proceso de diferenciación celular es cómo la cromatina-que es el material que forma los cromosomas-se reorganiza. Esta reorganización incluye el cambio de compartimentos, la reestructuración de dominios y la alteración de las conexiones entre potenciadores y promotores (contactos E-P). Estos cambios en los contactos locales de la cromatina a menudo se relacionan con cambios específicos en la expresión génica, mostrando que las interacciones de la cromatina juegan un papel importante en regular cómo se activan o desactivan los genes.

A pesar de que muchos estudios han investigado cómo los contactos de la cromatina afectan la Transcripción, los resultados a menudo son contradictorios. Esto indica que la relación entre ellos puede variar dependiendo del contexto. Además, muchos contactos de la cromatina carecen de descripciones funcionales, lo que dificulta entender completamente su papel en la influencia de las respuestas transcripcionales. Investigaciones recientes también han identificado diferentes tipos de interacciones de cromatina, como elementos de anclaje y meta-lazos. Estos pueden ayudar a regular cuándo se activan los genes y cuán confiablemente se expresan.

La investigación sobre los mecanismos que controlan los contactos específicos de cromatina 3D, especialmente en cuanto a cómo interactúan dentro del mismo locus, todavía es limitada. Esto deja varias preguntas sin respuesta sobre cómo se organizan jerárquicamente estos contactos y cuán importantes son para la regulación génica durante el funcionamiento normal y la diferenciación.

#Investigando la Diferenciación de Progenitores Neurales

Para estudiar cómo ocurren estos cambios en el contacto de la cromatina, se utilizó un sistema especializado que imita la diferenciación de células progenitoras neuronales en el laboratorio. Este sistema se asemeja mucho a los procesos que ocurren en organismos vivos. Se observó que durante la diferenciación de estas células progenitoras, se produce una reestructuración significativa de la cromatina en genes específicos, particularmente en uno llamado Zfp608.

La función del gen Zfp608 no está del todo clara. Sin embargo, se ha encontrado en varios tipos de células, incluyendo los timocitos, donde reprime otros genes y, por lo tanto, afecta el desarrollo de células T en el feto. Este gen también se ha relacionado con una condición llamada Síndrome de Cornelia de Lange, donde interactúa con otro gen y una proteína para llevar a cabo sus funciones.

El enfoque de esta investigación fue en el locus Zfp608 para investigar cómo cambia la estructura de la cromatina a medida que las células pasan de células madre embrionarias a células progenitoras neuronales y cómo esto está vinculado a la transcripción. Al combinar varias técnicas científicas con nuevos análisis en múltiples líneas celulares, mostramos que la transcripción juega un papel directo en la reorganización de la estructura específica de la cromatina de las células progenitoras neuronales al crear aislamiento y estabilizar bucles. Además, identificamos una región reguladora crucial para esta reorganización, que depende de ciertas proteínas para mantener la estructura de la cromatina.

#Cambios en la Cromatina Durante la Diferenciación de Células Progenitoras Neuronales

Para analizar el proceso de diferenciación y los cambios en la cromatina, los investigadores diferenciaron células madre embrionarias normales en células progenitoras neuronales y examinaron su composición de cromatina, estado transcripcional y estructura de la cromatina en el locus Zfp608. Esto incluyó varios marcadores bioquímicos y datos de transcripción de diferentes etapas del experimento.

Durante la diferenciación, se observó un aumento notable en ciertos marcadores químicos asociados con la expresión génica activa en el locus Zfp608, indicando que este gen se estaba activando. Además de la activación transcripcional, también hubo cambios en la estructura 3D de la cromatina. El gen Zfp608 se encuentra dentro de un gran dominio de cromatina que se separa en dos secciones a medida que las células se diferencian. Esta separación se debe a un aumento en el aislamiento en la región del Promotor de Zfp608 y coincide con la aparición de nuevos contactos de cromatina, particularmente bucles, que se forman predominantemente aguas arriba del promotor del gen.

Estos contactos recién formados incluyen los anclados en el promotor y entre regiones marcadas por factores de transcripción activos. Curiosamente, fuera del promotor y un potenciador identificado, otras regiones no mostraron la unión de ciertas proteínas estructurales. Para analizar los contactos recién formados más relevantes y su papel en la creación del dominio de cromatina especializado, los investigadores eligieron dos anclajes de bucle específicos basados en sus patrones de unión y ocupación de proteínas.

Ambos anclajes se encontraron interactuando con el promotor de Zfp608 a largas distancias, pero estaban unidos por diferentes conjuntos de proteínas y marcadores químicos. En las células progenitoras neuronales, un anclaje mostró marcadores de transcripción activa, mientras que el otro tenía actividad limitada. Se llevaron a cabo más pruebas utilizando diferentes líneas celulares para determinar la actividad del potenciador de estos dos elementos. Los resultados indicaron que solo uno de los anclajes, etiquetado como elemento A, actuó como un potenciador en estos contextos.

Estos datos experimentales destacan cómo los cambios en la actividad transcripcional correlacionan con la reestructuración de la cromatina en el locus Zfp608, involucrando interacciones en múltiples elementos reguladores, donde el elemento A actúa como un potenciador facilitando diversos contactos de cromatina.

#Analizando los Cambios en la Estructura Local de la Cromatina

Para entender mejor cómo la transcripción afecta las interacciones locales de la cromatina, los investigadores crearon diferentes líneas celulares para ver cómo manipular el sitio de inicio de transcripción y la fuerza impactaría la estructura de la cromatina. Crearon dos líneas mutantes específicas: una con una deleción en la región del promotor y otra con una señal de poliA insertada aguas abajo del sitio de inicio de transcripción.

Ambas líneas mutantes fueron perfiladas por su estructura de cromatina, estado transcripcional y unión de marcadores químicos. En el caso del tipo salvaje, no se observaron cambios significativos en el locus Zfp608 en las células madre embrionarias en comparación con el tipo salvaje. Sin embargo, al examinar el estado de las células progenitoras neuronales, las dos líneas mutantes mostraron efectos diferentes en la transcripción.

En el mutante de deleción del promotor, se formó un nuevo sitio de inicio de transcripción aguas arriba de la región eliminada, lo que resultó en cambios transcripcionales leves. En contraste, el mutante de inserción de poliA condujo a una reducción significativa en la transcripción en toda la región, lo cual no se correspondió con ningún cambio en la ocupación de proteínas o marcadores químicos en el locus Zfp608.

Ambos mutantes mostraron un aislamiento reducido alrededor del promotor, lo que indica un debilitamiento de la estructura local de la cromatina. Sorprendentemente, mientras que las interacciones ancladas en el promotor disminuyeron en fuerza, algunas interacciones de potenciador aumentaron en el mutante de deleción, lo que implica que la transcripción y los cambios estructurales pueden influenciarse dinámicamente entre sí.

#Investigando el Papel de Bucles Específicos de Cromatina

A continuación, los investigadores comenzaron a investigar el papel de los bucles específicos de potenciador-promotor y su impacto en las interacciones de la cromatina. Ingeniaron tres líneas celulares diferentes, cada una con deleciones distintas en las regiones de potenciadores para ver cómo estos cambios afectarían la estructura de la cromatina durante la diferenciación. En la etapa de células madre embrionarias, no se observaron alteraciones significativas en la expresión o la estructura de la cromatina en ninguna de las líneas mutantes.

Sin embargo, en el estado de progenitor neuronal, se descubrieron cambios notables. La eliminación del potenciador correspondiente al elemento A no solo afectó los bucles anclados en ese elemento, sino que también influyó en otros bucles locales, sugiriendo un papel principal para el elemento A en mantener los contactos de la cromatina. Mientras que la eliminación del elemento B debilitó sus contactos asociados, no afectó significativamente el aislamiento general o los contactos en la región.

Estos hallazgos apuntaron al potencial de que el elemento A actúe como un componente estructural central, facilitando contactos entre otros elementos en la proximidad. Para confirmar esto, se realizó un estudio para medir las distancias entre el promotor, el elemento A y el elemento B dentro de las células progenitoras neuronales.

A través de este análisis, los investigadores encontraron que las distancias entre estos elementos eran mucho más cortas en el estado normal. Sin embargo, al eliminar el elemento A, las distancias aumentaron, lo que sugiere que este elemento actúa para estabilizar y acercar las otras regiones para una formación eficiente de contactos.

#Comprendiendo los Mecanismos Detrás del Andamiaje

La investigación sobre el papel del elemento A como un factor estabilizador en la estructura de la cromatina llevó a los investigadores a profundizar en los mecanismos que impulsan estos comportamientos. Se hizo evidente que el elemento A era el único elemento regulador en la región que mostraba unión por ciertas proteínas estructurales. Para explorar los efectos de interrumpir estas interacciones, los investigadores ingenieron una nueva línea mutante que eliminaba sitios de unión específicos en el elemento A.

En este mutante, la pérdida de proteínas estructurales impactó significativamente la estructura de la cromatina en las células progenitoras neuronales, lo que llevó a una pérdida completa de la fuerza de contacto asociada con el elemento A. Sin embargo, la mayoría de los contactos formados por otros elementos permanecieron intactos, demostrando que el papel del elemento A va más allá de meras interacciones físicas.

Los resultados indicaron fuertemente que las atracciones moleculares no dependientes de extrusión de bucles también juegan un papel crítico en la reestructuración de la cromatina durante la diferenciación. Para investigar la organización general de la cromatina, los investigadores crearon modelos de la región Zfp608 utilizando simulaciones para evaluar interacciones entre elementos reguladores.

Estas simulaciones probaron varios mecanismos que podrían influir en la arquitectura de la cromatina, incluyendo interacciones de compartimento y extrusión de bucles. Los resultados finales destacaron que interacciones específicas de bucle eran esenciales para restaurar la organización de la cromatina observada en células vivas.

#Conclusiones sobre la Reorganización de la Cromatina en la Diferenciación

En general, este estudio arrojó luz sobre la complejidad de la reorganización de la cromatina durante la diferenciación de células madre pluripotentes en progenitores neuronales especializados. Identificó un elemento regulador importante, el elemento A, que actúa como un andamiaje para mantener la estructura de la cromatina y las interacciones cruciales para la regulación génica.

La investigación proporcionó una visión sobre la interacción dinámica entre la actividad transcripcional y la estructura de la cromatina, revelando cómo los cambios en la expresión génica pueden influir en la organización de la cromatina y viceversa. También destacó la importancia de las interacciones específicas de proteínas en guiar estos procesos.

Se necesitará investigación futura para explorar los roles precisos de varios factores de transcripción y cómo contribuyen al establecimiento y mantenimiento de la arquitectura de la cromatina en diferentes tipos celulares. Entender estas relaciones podría tener importantes implicaciones para la biología del desarrollo y la medicina regenerativa, especialmente en contextos donde la regulación precisa de genes es crucial para el desarrollo y el funcionamiento normal.