Cromosomas Humanos Artificiales: ¿realidad o ficción?

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Dr. Óscar Molina Campoy

Seguro que has oído hablar de los cromosomas, pero ¿sabes qué son? La mayor parte del tiempo, el ADN (el manual de instrucciones de un individuo) de la célula está formando una maraña desordenada, como un ovillo de lana o un plato de espaguetis, en el núcleo de la célula (Figura 1, Profase). Pero durante el proceso de división celular se forman los cromosomas tal y como los imaginamos, con forma de X (Figura 1, Profase). ¿Y porque tienen que formarse estas estructuras tan compactas? Pues porque es la manera que tiene el ADN de agruparse y protegerse para que nada se pierda por el camino en un momento importantísimo en que una célula tiene que dividirse en dos células hijas completamente idénticas tal y como vemos en la Figura 1.

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Figura 1. Esquema de las diferentes fases de la división celular (izquierda) y micrografías de cada fase de la división celular capturadas mediante microscopía de alta resolución a tiempo real (derecha, por M. Alba Abad). En azul se ve el ADN y en verde se ve la red de microtúbulos, la maquinaria que ayuda a los cromosomas a dividirse de manera idéntica en las dos células hijas.

Los eventuales errores en la distribución del ADN entre las dos células hijas, fenómeno conocido como aneuploidía, generan alteraciones del número de cromosomas, que son la causa de muchos tipos de cáncer y de diversas enfermedades congénitas, como por ejemplo el síndrome de Down (el cual se produce por un error en la distribución del cromosoma 21 durante una división celular). Por eso es muy importante entender los procesos necesarios para que haya una correcta división del material genético o ADN.

Para asegurar un reparto equitativo y que cada brazo de todos los cromosomas vaya a una célula hija, la región del centrómero juega un papel fundamental (Figura 2). El centrómero actúa de bisagra uniendo los dos brazos, de los cromosomas como las dos partes de unas tijeras o de unos alicates, y es la parte por la que se separan. Las características del centrómero a nivel molecular y celular son muy complejas, tanto por su estructura como por los mecanismos que controlan su función, dependientes de muchos otros factores celulares.

Mi interés durante los últimos cuatro años ha estado centrado en el estudio del centrómero mediante el uso de cromosomas artificiales humanos (en inglés, Human Artificial Cromosomes, HAC) (Figura 3). Los HACs son pequeños cromosomas sintéticos, producidos en el laboratorio, que tienen la capacidad de replicarse de forma autónoma en la célula igual que los cromosomas naturales y que presentan una estabilidad similar a éstos durante la división celular. Desde que se describió la formación del primer HAC en 1997, diversos laboratorios de todo el mundo, incluyendo el nuestro, han generado un gran número de ellos mediante diferentes tecnologías de ingeniería genética. Los HACs se han usado en investigación básica, generalmente para estudiar la estructura y la función de los cromosomas, puesto que estos cromosomas, al ser artificiales no son imprescindibles para la viabilidad celular. También se han usado para realizar estudios de regulación genética, porque en los HACs se pueden insertar grandes fragmentos de ADN que contengan genes enteros con sus secuencias reguladoras. Por esta última característica, los HACs podrían ser una herramienta muy útil en terapia génica, como portadores de genes sanos a las células de pacientes con anomalías genéticas, reemplazando el uso de virus que se usan actualmente en este tipo de terapia, evitando así las reacciones inmunitarias en los pacientes en respuesta a los virus.

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Figura 2. Micrografía de cromosomas humanos condensados (izquierda) y esquema de un cromosoma (derecha). Se puede distinguir el ADN (azul) y el centrómero de cada cromosoma (rojo y verde).

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Figura 3. Micrografía de diferentes cromosomas de una célula que contiene un HAC (magnificado a la derecha). En rojo se marcan los centrómeros de los cromosomas (en gris).

Gracias al uso de los HACs, los científicos han podido estudiar los componentes necesarios que las células necesitan para ensamblar y mantener en el tiempo una maquinaria tan compleja como los centrómeros cromosómicos, necesarios, como ya hemos señalado, para asegurar la distribución correcta del material genético durante el proceso de división celular. Recientemente, en nuestro grupo hemos descubierto que los centrómeros no son regiones de ADN “silenciado” o inerte, como se pensaba, sino que presentan secuencias y características propias de genes activos. Además, la eliminación de estas modificaciones, alteran la estructura y la función del centrómero haciendo que deje de funcionar correctamente.

Aunque queda mucho por investigar sobre la función y el mantenimiento de los centrómeros, los HACs han demostrado ser una herramienta imprescindible en el estudio de estas regiones cromosómicas y el mecanismo de segregación cromosómica durante la división celular. A parte de su uso en investigación básica, es muy probable que en un futuro oigamos hablar de los HACs como herramientas útiles para otras aplicaciones. El tiempo dirá.

Por Dr. Óscar Molina Campoy, Investigador postdoctoral, Wellcome Trust Centre for Cell Biology, Universidad de Edimburgo. SRUK Delegación de Escocia.

Más información:

Oscar Molina, Giulia Vargiu, Maria Alba Abad, Alisa Zhiteneva, A. Arockia Jeyaprakash, Hiroshi Masumoto, Natalay Kouprina, Vladimir Larionov and William C Earnshaw. “Epigenetic engineering reveals a balance between histone modifications and transcription in kinetochore maintenance”. Nature communications. DOI: 101038/ncomms13334

https://www.researchgate.net/profile/Oscar_Molina

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Human Artificial Chromosomes: Fiction or reality?

I am sure that you have heard about chromosomes, but do you know what are they? Most of the time, the DNA (the instruction manual of an individual) of the cell is wrapped and intermingled as if it was a ball of wool or a spaghetti dish, forming a dense net into the cell nucleus (Figure 1, Prophase). However, when the cell starts the process of cell division, chromosomes condense generating the typical X-shaped structures that we are more familiar with (Figure 1, Prophase). Why cells have to form such condensed molecules? It is the way that DNA has of grouping and protecting itself so no part of the genome gets lost in such an important moment such as cell division, in which one cell has to generate two identical daughter cells as we can see in Figure 1.

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Figure 1. Diagram of the different phases of cell division (left) and microscopic images of each phase captured by real time high-resolution microscopy (right, by M. Alba Abad). The DNA is in blue and the network of microtubules in green, the machinery that helps the chromosomes to be distributed equally into the two identical daughter cells.

Eventual errors in the distribution of the genetic material between the two daughter cells, phenomena known as aneuploidy, give rise to alterations of the number of chromosomes, which are the cause of many types of cancer and different congenital diseases, such as Down’s syndrome (caused by an error in the chromosome 21 distribution during cell division). For this reason, it is very important to understand all the mechanisms and processes needed to allow a correct cell division.

To ensure an equal distribution of genetic material and that every chromosome arm goes to a daughter cell, the centromeric region plays a fundamental role (Figure 2). The centromere acts as a hinge binding the two chromosome arms, like the two parts of scissors or pliers, and it is the part from where chromosomes are separated. The centromere characteristics at a molecular and cellular level are extremely complex, both for its structure and for the mechanisms that control its function, which depend on many different cell factors.

My main interest during the last four years has been the study of the centromere by using human artificial chromosomes (HACs) (Figure 3). HACs are tiny synthetic chromosomes generated in the laboratory, which have an autonomous replication in the cell and show a similar stability as the natural chromosomes during the cell division. Since the description of the first HAC in 1997, different laboratories throughout the world, including ours, have generated a big number of them through diverse genetic engineering technologies. Since their first description, HACs have been used in basic research in cell and molecular biology, usually for the study of chromosome structure and function, as these chromosomes are not essential for the cell viability. They have also been used for gene regulation studies, as HACs can integrate very big DNA fragments containing entire genes together with their regulatory sequences. Due to these last characteristics, HACs have been suggested to have a big potential for being used in gene therapy, thus bypassing the use of viruses to deliver healthy genes to the patient cells with genetic abnormalities to prevent immunogenic responses as a consequence of the viral infection.

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Figure 2. Micrograph of condensed human chromosomes (left) and diagram of a chromosome (right). We can distinguish the DNA (blue) and the centrosome of every single chromosome (red and green).

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Figure 3. Micrograph of different chromosomes in a cell containing a HAC (magnification on the right). Centromeres are labelled in red and the chromosomes in grey.

Thanks to the use of HACs, scientists have been able to study the minimal requirements to assemble and maintain such complex machinery as the centromeres that are necessary, as stated above, to ensure proper chromosome segregation during cell division. Contrary to what has been thought in the past, our group has recently shown that centromeres are not regions of “silenced” DNA, but they contain factors and modifications that are typical of active genes. Indeed, the removal of these particular modifications, typical of active genes, disrupt the structure and function of the centromere, thus impairing its proper role in cell division.

Although there is a lot to know about the function and maintenance of the centromeres, HACs have proven a unique tool for the study of these chromosomic regions and for the study of the mechanism of chromosome segregation during cell division. Beyond their use in basic research, it is very likely that in the future we hear news about the HACs as useful tools for other applications. Time will tell.

By Dr Óscar Molina Campoy, Postdoctoral researcher, Wellcome Trust Centre for Cell Biology, University of Edimburgh. SRUK Constituency of Scotland.

More info:

Oscar Molina, Giulia Vargiu, Maria Alba Abad, Alisa Zhiteneva, A. Arockia Jeyaprakash, Hiroshi Masumoto, Natalay Kouprina, Vladimir Larionov and William C Earnshaw. “Epigenetic engineering reveals a balance between histone modifications and transcription in kinetochore maintenance”. Nature communications. DOI: 101038/ncomms13334

https://www.researchgate.net/profile/Oscar_Molina

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