Dos nuevos atlas moleculares revelan cómo crecen y se desarrollan las células humanas

Los investigadores de Universidad de Washington Health Sciences (UW Medicine), en el Instituto Brotman Baty, en Estados Unidos, en colaboración con otros centros, han creado dos atlas de células que rastrean la expresión génica y la accesibilidad a la cromatina durante el desarrollo de tipos de células y tejidos humanos.

Un atlas mapea la expresión génica dentro de células individuales en 15 tejidos fetales, mientras el segundo se refiere a la accesibilidad a la cromatina de genes individuales dentro de las células, según publican los investigadores en la revista 'Science'.

Juntos, ambos atlas proporcionan un recurso fundamental para comprender la expresión génica y la accesibilidad a la cromatina en el desarrollo humano sin precedentes. Además, las técnicas descritas en los dos artículos permiten generar datos sobre la expresión génica y la accesibilidad de la cromatina para millones de células.

En la creación de estos atlas han participado también la compañía Illumina, La Universidad de Arizona, el Fred Hutchinson Cancer Research Center, el Instituto Max Planck de Alemania y la Universidad de Rochester.

La expresión genética es el proceso en el que una célula usa las instrucciones almacenadas en su ADN para dirigir la síntesis de proteínas. Estas proteínas, a su vez, determinan la estructura y función de una célula. El atlas de expresión génica mapea dónde y cuándo ocurre la expresión génica en diferentes tipos de células a medida que crecen y se desarrollan.

"A partir de estos datos, podemos generar directamente un catálogo de todos los tipos de células principales en los tejidos humanos, incluida la forma en que esos tipos de células pueden variar en su expresión génica en los tejidos", explica el autor principal, Junyue Cao, que completó este trabajo como becario postdoctoral en el laboratorio de Jay Shendure, profesor de ciencias del genoma en la UW Medicine, y ahora profesor asistente en la Universidad Rockefeller.

"Existe un objetivo general del campo de perfilar los programas genéticos que están presentes en un ser humano a una escala tan amplia y con la mayor resolución posible", añade Shendure.

Para crear el atlas, los investigadores perfilaron la expresión génica en 15 tipos de tejido fetal utilizando una técnica llamada sci-RNA-seq3. Esta técnica etiqueta cada célula con una combinación única de tres 'códigos de barras' de ADN, lo que permite a los investigadores realizar un seguimiento de las células sin separarlas físicamente.

Una vez que se obtuvieron las secuencias, utilizaron algoritmos informáticos para recuperar la información de una sola célula, agrupar las células por tipo y subtipo e identificar sus trayectorias de desarrollo. Los científicos perfilaron más de 4 millones de células individuales e identificaron 77 tipos de células principales y aproximadamente 650 subtipos de células.

También compararon el atlas con otro existente de desarrollo embrionario de ratones. El coautor principal Cole Trapnell, profesor asociado de ciencias del genoma en la Escuela de Medicina de la Universidad de Washington e investigador del Instituto Brotman Baty, explica: "Cuando combinamos estos datos con los datos previamente publicados, podemos delinear directamente la ruta de desarrollo de la célula para todos los tipos de células principales".

El segundo atlas, de accesibilidad del ADN, mapea un material llamado cromatina que permite que el ADN se empaquete de manera apretada en el núcleo celular. La cromatina puede ser abierta y "accesible" a la maquinaria molecular que lee las instrucciones genéticas codificadas en el ADN o cerrada e "inaccesible". Conocer las regiones de ADN que están abiertas y cerradas puede indicar cómo una célula elige activar y desactivar los genes.

"Estudiar la cromatina te da una idea de la 'gramática' reguladora de la célula --apunta el coautor principal Darren Cusanovich, anteriormente becario postdoctoral en el laboratorio de Shendure y ahora profesor asistente en la Universidad de Arizona--. Los cortos tramos de ADN que están abiertos, o accesibles, se enriquecen para ciertas 'palabras', que son, a su vez, la base para que la célula especifique que quiere ciertos genes en ellos".

Los científicos generaron casi 800.000 perfiles de accesibilidad de cromatina unicelular en aproximadamente 1 millón de sitios en 15 tejidos fetales en este estudio. Se preguntaron qué proteínas podrían interactuar con los sitios de ADN accesibles en cada célula y cómo esas interacciones pueden explicar el tipo de célula. Este análisis define los interruptores de control para el desarrollo dentro del genoma. También identificaron puntos de accesibilidad a la cromatina que podrían estar asociados con enfermedades.

"Esto nos dice qué parte del genoma podría ser funcional. Aún no sabemos qué porcentaje del genoma que no codifica genes puede estar involucrado en la regulación genética. Nuestro atlas ahora proporciona esa información para muchos tipos de células", reconoce Silvia Domcke, coautora principal del artículo del atlas de accesibilidad y becaria postdoctoral en el laboratorio de Shendure.