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miCada bacteria corre para convertirse en bacteria, y la que tenga la estrategia más rápida saldrá victoriosa. Las especies Escherichia coli es un buen ejemplo. Puede duplicarse continuamente sin interrupción y, contrariamente a la intuición, este error ha evolucionado a dividir más rápido de lo que puede replicar su genoma.1 Dado que E. coli impulsa su replicación a toda marcha, los científicos plantearon la hipótesis de que esto podría interferir con otro proceso que se ejecuta sin descanso: la expresión genética. Sin embargo, los científicos lucharon por efectos de la replicación del estudio en la expresión genética porque los insectos en una población bacteriana son como trabajadores por turnos en una ciudad sin dormir.2 Cada uno ocupa una etapa diferente en el ciclo celular y produce demasiado ruido para detectar patrones.

Ahora, informando en Naturalezalos investigadores aprovecharon una técnica que mide la expresión genética dentro del bacteria individuallo que les permite centrar el análisis en células individuales.3 Los patrones que surgieron de los datos revelaron cómo estos bichos bulliciosos regulan sus genomas.

Microbiólogo y coautor del estudio. Andrew Pountainquien es miembro de Itai Yanai’s equipo de investigación de biología de sistemas de la Universidad de Nueva York, reconoció que en un momento dado, una bacteria individual expresa un conjunto distinto de genes que podrían perderse en su análisis si promediara todos los miembros de la población, guiándolo hacia transcriptómica unicelular.4 Sin embargo, dijo Pountain, “los datos sin procesar con los que se trabaja son terribles” porque todavía son muy ruidosos.

«Es como si alguien te dijera que recrearas una película, pero te estuvieran dando los fotogramas individualmente, y cada fotograma está extremadamente oscuro o borroso», dijo Yanai. El equipo tuvo que encontrar una manera de limpiar y alinear los fotogramas para producir una película biográfica coherente sobre las tendencias de expresión genética de la bacteria.

Para descubrir vínculos potenciales entre la replicación y la expresión genética, el equipo desarrolló una forma novedosa de organizar los datos que recopilaron de células no sincronizadas que congelaron en el tiempo usando formaldehído. Plantearon la hipótesis de que si la replicación afecta la expresión genética, lo hará en el orden en que copia los genes a lo largo del cromosoma. Mientras clasificaba los datos en busca de patrones que vincularan la expresión genética con la posición cromosómica del gen, de repente todo el caos se convirtió en orden. «Si se le impone una estructura, que es esta estructura del ciclo celular impulsada por la replicación, de repente pasa de ser increíblemente ruidoso y muy difícil a increíblemente lógico», dijo Pountain.

E. coli Tiene un cromosoma circular, pero la replicación no ocurre en el sentido de las agujas del reloj alrededor del cromosoma. En cambio, replica simultáneamente dos segmentos de 180° en la mitad del tiempo, ambos saliendo del mismo punto de partida a las 12 en punto. Un segmento se replica en el sentido de las agujas del reloj, mientras que el otro lo hace en el sentido contrario, conectándose en la región de las seis en punto.5

El equipo notó un patrón similar en la expresión genética: genes ubicados en segmentos opuestos pero a distancias iguales del punto de partida de las 12 en punto se expresaban al mismo tiempo. Estos hallazgos sugirieron que esos genes compartían una señal de activación programada por la replicación sincronizada de los dos segmentos.

Otros patrones de expresión en los datos insinuaban la influencia de la replicación. E. coli no toma un descanso entre una ronda de replicación y la siguiente. Al mismo tiempo que los dos segmentos se fusionan en la línea de meta de las seis, comienza una nueva ola de replicación en el punto de partida de las doce. De manera similar, descubrieron que los genes cercanos al inicio y al final se activaban al mismo tiempo, revelando que la replicación controlaba su expresión.

Finalmente, los ruidosos datos de expresión genética recopilados de poblaciones bacterianas tenían sentido, aunque fueron una sorpresa para el equipo. «Nunca esperábamos encontrar un sistema que fuera mucho más general y de alcance mucho más global», dijo Pountain.

Kuan Wei Shengbiólogo de sistemas de la Universidad de Harvard que no participó en el trabajo, dijo: «Hay varios estudios que demuestran, por ejemplo, un solo gen que se ve muy afectado por la replicación», pero señaló que esta es la primera demostración de que estos efectos son sistémicos.

Habiendo demostrado que la replicación influye en la expresión genética general, el equipo generó gráficos que muestran patrones de expresión para genes individuales, a los que denominaron perfiles de interacción transcripción-replicación (TRIP). Estos gráficos revelaron cambios en el momento y el nivel de expresión genética que ocurrieron junto con los ciclos de replicación.

Pountain comparó TRIP con un electrocardiograma (ECG). De la misma manera que las ondas de un ECG transportan información sobre la salud del corazón, las curvas de un TRIP revelan cómo la replicación activa y desactiva un gen. El equipo de investigación aún necesita decodificar el TRIP de cada gen para comprender en qué medida la replicación controla su expresión en comparación con otros reguladores, como los factores de transcripción.

«Es como si hubiéramos descubierto este nuevo diccionario, pero aún no sabemos qué significa cada palabra», dijo Yanai. Con el tiempo, su objetivo es definir los distintos TRIP en el genoma.

El equipo también encontró tendencias similares en la expresión genética en Estafilococo aureus, una especie lejanamente relacionada, lo que sugiere que el proceso podría conservarse en todas las bacterias. Sin embargo, “¿cuánto se puede extrapolar a [other bacteria] actualmente se desconoce. Creo que vale la pena estudiarlo más a fondo”, añadió Sheng.

También sigue siendo una cuestión abierta si las arqueas o los eucariotas tienen un proceso similar. «Las células eucariotas son mucho más complicadas en diferentes aspectos», dijo Sheng. Tienen cromosomas múltiples y más grandes, múltiples orígenes de replicación en cada cromosoma y algunas regiones del ADN están más empaquetadas que otras, por lo que esta forma de regulación genética podría ser estrictamente procariótica. Aun así, “las bacterias son patógenos importantes a los que debemos enfrentarnos”, dijo Yanai. «Esta herramienta podría tener una gran relevancia biomédica por sí sola».

Referencias

  1. Youngren B, et al. El multitenedor Escherichia coli El cromosoma es un polímero anular termodinámico que se autoduplica y se autosegrega.. Desarrollador de genes. 2014;28(1):71-84.
  2. Thanbichler M. Sincronización de la dinámica cromosómica y la división celular en bacterias.. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2010;2(1).
  3. Pountain AW, et al. Las interacciones transcripción-replicación revelan la regulación del genoma bacteriano. Naturaleza. 2024;626(7999).
  4. Blattman SB, et al. Secuenciación de ARN unicelular procariótico mediante indexación combinatoria in situ. Microbiol natural. 2020;5(10):1192-1201.
  5. Rudolph C, et al. Evitar y resolver conflictos entre la replicación y la transcripción del ADN.. Reparación de ADN. 2007;6(7):981-993.