EN CASTELLANO/EN CATALÀ

Advances in microscopy have enabled researchers to picture loops of DNA strands for the first time. The images reveal how the human genome organises itself in three-dimensional space at much higher resolution than previously possible.

The findings, published in a new study in the journal Molecular Cell, also reveal that the process of DNA being copied into RNA – transcription – indirectly shapes the architecture of the genome. An international team led by Pia Cosma at the Centre for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona and Melike Lakadamyali at the Perelman School of Medicine at the University of Pennsylvania in the United States found that transcription generates a force that moves across DNA strands like ripples through water.

Known as supercoiling, the force causes structural proteins known as cohesins to ‘surf’ across DNA strands, changing the scaffold’s architecture and morphing the overall shape of the genome. While it is known that genome organization regulates gene transcription, it is the first-time researchers have found transcription to impact genome organization the other way round through supercoiling.

According to the researchers, the discovery of this new force may have future implications for the understanding of genetic diseases such as Cornelia de Lange syndrome, which is caused by mutations in genes encoding for cohesin or cohesin regulators. The findings may also be relevant for developmental disorders linked to how chromatin folds, as well as opening new avenues of research in genome fragility and cancer development.

The researchers studied the biological mechanisms that enable two metres of DNA to be squeezed into a tight space in each human cell. In this condensed state, the DNA, also known as chromatin, contains many loops that bring together different regions of the genome that would normally be far apart. The resulting physical proximity is important for transcribing DNA into RNA which then makes proteins, making chromatin looping a fundamental biological mechanism for human health and disease.

According to Vicky Neguembor, Staff Scientist at the CRG and first author of the paper, “Chromatin looping is what allows individual cells to switch different information on and off, which is why for example a neuron or a muscle cell with the same genomic information can still behave so differently. Loops are also one of the ways the genome gets compacted to fit into the nucleus." 

“What we have found is important because it shows the biological process of transcription plays an additional role beyond its fundamental task of creating RNA that eventually turn into proteins. Transcription indirectly compacts the genome in an efficient manner and helps different regions of the genome talk to each other.”  

Previous techniques used to study this process could predict where loops were located but not their actual shape or how they look like within the cells. To improve image resolution, the researchers used a special type of microscopy that use high-power lasers under specific chemical conditions to track the blinking of fluorescent molecules. The technique provides ten times higher resolution than conventional microscopy, and combined with advanced imaging analysis techniques the researchers were able to identify chromatin loops, and the cohesins that hold the structure together like paper clips, within intact cells. 

EN CASTELLANO

Al desenrollarse, el ADN revela un fenómeno natural que da forma a los genomas 

La microscopía de última generación ha permitido a un equipo científico visualizar los bucles de las hebras de ADN por primera vez. Las imágenes revelan cómo el genoma humano se organiza en un espacio tridimensional con una resolución mucho más alta de lo que era posible hasta ahora.

Los hallazgos, publicados en un nuevo estudio en la revista Molecular Cell, también revelan que el proceso de copiar el ADN en ARN (transcripción) cambia la arquitectura del genoma indirectamente.  Un equipo internacional, liderado por la profesora de investigación ICREA Pia Cosma del Centro de Regulación Genómica (CRG), en Barcelona, y Melike Lakadamyali de la Universidad de Pensilvania, en Estados Unidos, ha descubierto que la transcripción genera una fuerza que se mueve a través de las hebras de ADN, como las ondas propagándose en el agua.

La fuerza, denominada superenrollamiento, hace que las proteínas estructurales, como las cohesinas, "surfeen" sobre las hebras de ADN, cambiando la arquitectura del armazón y transformando la forma general del genoma. Si bien se sabe que la arquitectura tridimensional del genoma regula la transcripción de los genes, es la primera vez que se observa el revés por el efecto del superenrollamiento.

Según el equipo científico, el descubrimiento de esta nueva fuerza puede tener futuras implicaciones para la comprensión de enfermedades genéticas como el síndrome de Cornelia de Lange, causado por mutaciones en genes que codifican las cohesinas o los reguladores de cohesinas. Los hallazgos también pueden ser relevantes para los trastornos del desarrollo relacionados con la forma en que se pliega la cromatina, así como para abrir nuevas vías de investigación sobre la fragilidad del genoma y el desarrollo del cáncer.

Los investigadores estudiaron los mecanismos biológicos que permiten condensar dos metros de ADN en un espacio diminuto en cada célula humana. En este estado condensado, el ADN, también conocido como cromatina, contiene muchos bucles que unen diferentes regiones del genoma que normalmente estarían muy separadas. La proximidad física resultante es importante para transcribir el ADN en ARN que a su vez produce proteínas. Por esta razón los bucles de cromatina son un mecanismo biológico fundamental para la salud y las enfermedades humanas.

Según Vicky Neguembor, investigadora del CRG y primera autora del artículo, “el bucle de cromatina es lo que permite que las células individuales activen y desactiven información diferente, por lo que, por ejemplo, una neurona o una célula muscular con la misma información genómica se comportan de una manera tan diferente. Los bucles también son una de las formas en que el genoma se compacta para encajar en el núcleo".

“Lo que hemos descubierto es importante porque muestra que el proceso biológico de transcripción juega un papel adicional más allá de su tarea fundamental de crear ARN que eventualmente se convierte en proteínas. La transcripción compacta el genoma de una manera indirecta pero eficiente, ayudando a diferentes regiones del genoma comunicarse entre si".

Técnicas convencionales utilizadas para estudiar los bucles de ADN podían predecir dónde se ubicaban, pero no su forma real. Para mejorar la resolución y promover la investigación de los bucles, el equipo científico utilizó un tipo especial de microscopía que usa láseres de alta potencia en condiciones químicas específicas para rastrear el parpadeo de moléculas fluorescentes. La técnica es diez veces más poderosa que la microscopía convencional y, combinada con técnicas avanzadas de análisis de imágenes, el equipo científico pudo identificar los bucles y las cohesinas que mantienen unida la estructura, mediante un sistema parecido a los clips, dentro de células intactas.

EN CATALÀ

En desenrotllar-se, l’ADN revela un fenomen natural que dona forma als genomes 

La microscòpia d’última generació ha permès a un equip científic visualitzar els bucles de les cadenes d’ADN per primer cop. Les imatges desvetllen com el genoma humà s’organitza en un espai tridimensional amb una resolució molt més alta del que havia estat possible fins ara.

Les troballes, publicades en un nou estudi a la revista Molecular Cell, també revelen que el procés de copiar l’ADN en ARN (transcripció) canvia l’arquitectura del genoma indirectament. Un equip internacional, liderat per la professora d’investigació ICREA Pia Cosma del Centre de Regulació Genòmica (CRG), a Barcelona, i Melike Lakadamyali de la Universitat de Pennsilvània, als Estats Units, ha descobert que la transcripció genera una força que es mou a través de les cadenes d’ADN, com les ones propagant-se a l’aigua.  

La força, denominada superenrotllament, fa que les proteïnes estructurals, com les cohesines, ‘surfegin’ sobre les cadenes d’ADN, canviant l’arquitectura de la bastida i transformant la forma general del genoma. Si bé se sap que l’arquitectura tridimensional del genoma regula la transcripció dels gens, és el primer cop que s’observa la causa-efecte a l’inrevés per l'efecte de l'superenrotllament.

Segons l’equip científic, el descobriment d’aquesta nova força pot tenir futures implicacions per a la comprensió de malalties genètiques com la síndrome de Cornelia de Lange, causada per la mutació en gens que codifiquen les cohesines o els reguladors de cohesines. Les troballes també poden ser rellevants per als trastorns del desenvolupament relacionats amb la forma en què es plega la cromatina, així com per a obrir noves vies de recerca sobre la fragilitat del genoma i el desenvolupament del càncer. 

Els investigadors estudiaren els mecanismes biològics que permeten condensar dos metres d’ADN en un espai diminut en cada cèl·lula humana. En aquest estat condensat, l’ADN, també conegut com a cromatina, conté molts bucles que uneixen diferents regions del genoma que normalment estarien molt separades. La proximitat física resultant és important per transcriure l’ADN en ARN, que produeix proteïnes. Per aquesta raó, els bucles de cromatina són un mecanisme biològic fonamental per a la salut i les malalties humanes. 

Segons Vicky Neguembor, investigadora del CRG i primera autora de l’article, “el bucle de cromatina és el que permet que les cèl·lules individuals activin i desactivin informació diferent, fet pel qual, per exemple, una neurona o una cèl·lula muscular amb la mateixa informació genètica es comporten d’una manera tan diferent. Els bucles també són una de les maneres en què el genoma es compacta per encaixar al nucli”.  

“El que hem descobert és important perquè mostra que el procés biològic de transcripció juga un paper addicional més enllà de la seva tasca fonamental de crear ARN que eventualment es converteix en proteïnes. La transcripció compacta el genoma d’una manera indirecta però eficient, ajudant a diferents regions del genoma a comunicar-se entre elles”.

Tècniques convencionals emprades per a estudiar els bucles d’ADN podien predir on s’ubicaven, però no la seva forma real. Per millorar la resolució i promoure la recerca dels bucles, l’equip científic emprà un tipus especial de microscòpia que utilitza làsers d’alta potència en condicions químiques específiques per rastrejar el parpelleig de molècules fluorescents. La tècnica és deu vegades més poderosa que la microscòpia convencional i, combinada amb tècniques avançades d’anàlisi d’imatges, l’equip científic pogué identificar els bucles i les cohesines que mantenen unida l’estructura, de manera semblant a com ho fan els clips, dins de cèl·lules intactes.