Hallazgo de bioquímicos argentinos:
Estructuras no convencionales del ADN participan en la regulación de la expresión génica
Esta demostración inédita in vivo, que acaban de publicar los científicos del Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario (IBR) en la revista Nucleic Acids Research, es de trascendental importancia porque demuestra que el G4 o cuádruplex de guanina – una estructura diferente a la típica doble hélice que adopta el material genético– no solo está presente en los vertebrados sino que participa en el control del desarrollo embrionario.
Por Ana M. Pertierra
Un equipo de investigadores del Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario (IBR- CONICET-UNR) liderado por la Dra. Nora Calcaterra hace varios años que está dedicado a dilucidar el rol de los cuádruplex de guanina (G4), un tipo de estructura no convencional del ADN, en la biología celular de organismos complejos. El trabajo que acaban de publicar es el primero que revela in vivo el rol del G4 en el desarrollo embrionario, uno de los procesos más regulados de la biología de los vertebrados que define el destino de los distintos linajes celulares. Los investigadores argentinos demostraron que los G4 participan de la intricada secuencia de procesos que gobiernan la transcripción de los genes.
Este grupo de científicos del IBR que dirige Nora Calcaterra está formado por Pablo Armas, investigador adjunto del Conicet, Claudia Banchio, investigadora independiente del Conicet, Aldana David, becaria del Conicet y principal autora del trabajo y Ezequiel Margarit y Pablo Domizi, becarios del Conicet.
FABAINFORMA se comunicó a través del correo electrónico con la Dra. Nora Calcaterra, bioquímica, investigadora principal del Conicet, jefa del Laboratorio de Bioquímica y Biología Molecular del Desarrollo del IBR y docente de la Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas de la Universidad Nacional de Rosario, quien explicó algunas de las implicancias de esta investigación.
Hace muchos años, casi 40, que se conoce, a través de estudios in vitro usando moléculas de ADN aisladas y sintéticas, que el ADN puede adoptar estructuras dinámicas plegadas diferentes a la doble hélice en regiones ricas en guanina. Más tarde, mediante el uso de herramientas bioinformáticas se pudo determinar – también in vitro– que estas estructuras estaban más presentes en promotores de oncogenes y menos representadas en promotores de genes supresores tumorales. Fue en 2013 cuando investigadores de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido liderados por Shankar Balasubramanian demuestran por primera vez la existencia de G4 en células humanas. Sin embargo, y a pesar del hito científico que significó ese hallazgo, estos descubrimientos se hicieron trabajando con células aisladas (in cellulo); y no podían reflejar lo que en realidad ocurre en un organismo animal conformado por varios tipos celulares que se organizan para cumplir funciones reguladoras y estructurales muy precisas. Ahora, los científicos argentinos han logrado, trabajando en un modelo animal, un hallazgo inédito: demostraron que las estructuras genómicas G4 no sólo están presentes en los vertebrados sino que participan en el control del desarrollo embrionario regulando el proceso de transcripción génica. Este descubrimiento constituye un aporte crucial al conocimiento de las funciones de esta parte del genoma. De allí, que se augura que tendrá múltiples repercusiones en la búsqueda de nuevas estrategias para terapias contra el cáncer e intervenciones sobre patologías embrionarias o neonatales.
• A la izquierda, representación de las estructuras de cuádruple hélice. A la derecha, su visualización en células cancerosas. Imagen: Universidad de Cambridge
"El desarrollo embrionario es similar al proceso de tumorogénesis en que implica una gran proliferación celular. Haber demostrado que los G4 participan en el control del desarrollo embrionario de un vertebrado sugiere que los oncogenes podrían ser controlados de manera similar durante el proceso tumoral", señaló la investigadora.
Consultada acerca del aporte que este conocimiento de la ciencia básica puede ofrecer a futuras aplicaciones clínicas, la investigadora explicó: "A partir del conocimiento de que los G4 están sobrerepresentados en los promotores de oncogenes, la industria farmacéutica ha invertido millones de dólares en el desarrollo de drogas que, uniéndose a ellas, podrían ejercer un efecto sobre la expresión de oncogenes. Sin embargo, el problema de esta estrategia es que esas drogas se unen a G4 presentes en los promotores de oncogenes y también a G4 presentes en promotores de otros genes no involucrados con el desarrollo tumoral. En nuestro trabajo, diseñamos una estrategia de intervención sobre los G4 mas específica, la cual permitiría modular la formación de estas estructuras solamente en los promotores que uno desea intervenir, disminuyendo el riesgo de efectos inespecíficos".
• De izq. a der: Aldana David, Claudia Banchio, Ezequiel Margarit, Nora Calcaterra y Pablo Armas. Foto: IBR.
Un modelo experimental pionero
Para arribar a las conclusiones de este estudio – publicado en la edición del mes de enero de 2016 de NAR (http://nar.oxfordjournals.org/content/early/2016/01/14/nar.gkw011.long) los investigadores del IBR trabajaron varios años utilizando técnicas de la biología molecular y ensayos de fluorescencia con secuencias de determinados promotores de genes con un modelo experimental muy particular. Se trata del pez teleosteo, pez cebra o zebrafish. "Este modelo animal presenta muchas ventajas respecto de otros típicamente usados, como el ratón o la rata. Es un vertebrado que comparte con el humano muchísimos genes, es pequeño, tiene un crecimiento rápido, se generan muchos embriones que son transparentes y se desarrollan ex-útero, por lo cual no hay que sacrificar animales para obtener los embriones", detalla Calcaterra.
Según la investigadora, este modelo experimental se está utilizando ampliamente para estudiar patologías humanas y desarrollar tratamientos con drogas de diseño o naturales, y el IBR fue pionero en Argentina en utilizar este modelo animal para la investigación en biología del desarrollo y cáncer.
Si bien los investigadores de Rosario no han percibido todavía el impacto de la reciente publicación de estos datos en la comunidad científica internacional, esperan amplias repercusiones que ya están llegando por vías informales de comunicación. "Nuestros colegas que están trabajando en el exterior ya nos han mandado felicitaciones a través del mails y whatsapp", contó la investigadora.
Proyectos futuros
Afianzados en este conocimiento, los científicos del IBR aspiran a más y confían que seguirán trabajando para dilucidar el rol de estas estructuras del material genético en el desarrollo de patologías embrionarias. "Estamos estudiando el promotor de un gen contiene G4 y cuya expresión defectuosa conduce a malformaciones cráneo-faciales que van desde una simple modificación de la mandíbula inferior a la muerte por apnea de los recién nacidos. Nuestra hipótesis es que los G4 `modulan´ la expresión de genes esenciales para el desarrollo de las estructuras cráneo-faciales. Consideramos que para probar esta hipótesis, el zebrafish es el modelo ideal", concluyó Calcaterra.
Cuádruple hélice de ADN en células humanas
En 1953 dos investigadores de la Universidad de Cambridge, James Watson y Francis Crick, describieron la estructura de doble hélice del ADN, logro que les valiera el Premio Nobel. En 2013 investigadores de la misma universidad británica liderados por Shankar Balasubramanian revelaron que las estructuras de cuatro hebras del ADN, conocidas como cuádruplex de guanina o G4 también existen en el genoma humano.
Dichas estructuras se forman en regiones de ADN ricas en guanina, una de los cuatro bases nitrogenadas que mantiene unido el ADN y codifica la información genética, junto con la adenina, la citosina y la timina.
Ese hallazgo surgió luego de 10 años de investigación para demostrar estas estructuras complejas en células humanas vivas trabajando desde lo hipotético, a través de modelos computacionales, hasta experimentos de laboratorio y, finalmente, su identificación en células cancerosas humanas utilizando biomarcadores fluorescentes. El trabajo reveló una clara relación entre las concentraciones de cadenas cuádruples y el proceso de replicación del ADN, esencial para la división celular. Estas complejas estructuras suelen darse con mayor probabilidad en los genes de las células que se dividen rápidamente, como las células cancerosas.
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