ISi el genoma es un manual de instrucciones, las modificaciones químicas que componen el epigenoma son como marcadores y notas adhesivas. Cada marca epigenética indica a las células qué partes del manual deben leer para llevar a cabo sus funciones. En órganos complejos como el cerebro, donde miles de tipos de células están cuidadosamente organizados en intrincadas estructuras neuronales con funciones esenciales, los patrones espaciales de estas marcas epigenéticas son importantes. Las alteraciones en estos patrones pueden ser un signo de enfermedad.
Nuevas tecnologías medir las marcas epigenéticas en las histonas y el ADN en resolución casi unicelular en el cerebro.1,2 Sin embargo, estas herramientas pueden resultar costosas para los laboratorios, especialmente cuando se estudian enfermedades en grupos grandes de pacientes y controles.
“Debido al costo y la mano de obra, el enfoque de una sola célula no es práctico”, dijo Chang Luingeniero químico de Virginia Tech. “Pensamos que tenía que haber un enfoque más simple y de menor costo para lograrlo”.
Para abordar este problema, el equipo de Lu ideó una Enfoque alternativo escanear patrones espaciales de marcas epigenéticas en el cerebro diseccionando cortes finos y ejecutando métodos epigenómicos masivos de menor costo.3 De esta manera evitan leer millones de manuales de instrucciones de celulares de cabo a rabo y, en su lugar, leen un único resumen de todos los manuales que hay en un estante. Publicaron su trabajo en Métodos de informes de celdas y denominó el enfoque tomografía epigenómica, inspirado en un método publicado anteriormente llamado Tomografía de ARN que en sí hace referencia a la familia de métodos para crear imágenes de objetos grandes iterando sobre secciones.4
“Aunque sacrificamos la resolución espacial en comparación con un enfoque unicelular, podemos observar regiones más grandes, lo que sería muy costoso y difícil de hacer con enfoques unicelulares”, dijo Lu. “Hay procesos que ocurren en una región más grande del cerebro. Incluso si sacrificas un poco de resolución espacial, aún podrás verlos”.
Para demostrar su método, los investigadores aislaron la región neocórtex del cerebro del ratón. Después de cortar cada muestra de cerebro en rebanadas finas de 0,5 milímetros de grosor, separaron las neuronas de las células gliales y amalgamaron miles de células de cada tipo celular. Con tan pocas células, los investigadores recurrieron a un método llamado secuencia MOWChIPque es la abreviatura de inmunoprecipitación de cromatina basada en lavado oscilatorio microfluídico seguida de secuenciación, que habían desarrollado previamente para identificar marcas epigenéticas a partir de pequeñas cantidades de células.5
En cada corte cerebral, los investigadores midieron modificaciones específicas de las histonas, algo similar a concentrarse únicamente en el texto resaltado en un color particular en un libro. Pero no tenían forma de rastrear cómo variaban estas marcas en el espacio; es decir, para ver si el texto resaltado en los manuales de un estante difería del texto resaltado en otros estantes.
Para ello, el equipo ideó un método para agrupar las marcas epigenéticas en distintos cortes, determinar qué marcas se producían en el espacio y vincularlas con procesos neuronales mediados por genes cercanos. Esto proporcionó la base para un mapa neocortical de dónde pueden producirse o desregularse determinados procesos en caso de enfermedad.
Para probar su método, Lu y su equipo recurrieron a un modelo para estudiar las convulsiones, que pueden alterar la función cerebral de formas definidas espacialmente. Cuando utilizaron la tomografía epigenómica para estudiar los cerebros de ratones con y sin convulsiones inducidas, encontraron diferencias espaciales en las marcas epigenéticas entre los dos grupos. “Eso sin duda nos da cierta confianza en que podemos utilizar este tipo de enfoque para estudiar los procesos en el cerebro”, dijo Lu. Su equipo está trabajando en la ampliación del método a cortes aún más finos que les ayudarán a lograr una resolución aún mayor. Esperan utilizar su nuevo método para estudiar cerebros humanos para identificar cambios epigenéticos vinculados a enfermedades como la esquizofrenia y la adicción.
La principal ventaja de este método es la reducción de costes, dijo Marc Beyerun inmunólogo del Centro Alemán de Enfermedades Neurodegenerativas que no participó en este estudio. “Si hiciéramos lo que se ha hecho en el artículo (este análisis transversal de todo el cerebro) a nivel de una sola célula, actualmente no podríamos hacerlo en términos de costos”, dijo. “Creo que es un esfuerzo que vale la pena”.
Aunque Lu estima que la tomografía epigenómica es uno o dos órdenes de magnitud más barata que aplicar métodos de resolución de células individuales, Gonzalo Castelo BrancoBeyer, bioquímico del Instituto Karolinska que no participó en este estudio, quería ver una comparación rigurosa lado a lado para confirmar que la reducción de costos que conlleva la tomografía epigenómica vale la pena por la pérdida de resolución. “El aspecto de célula única es bastante importante”, dijo. Agregar todas las células en un corte cerebral puede ocultar muchos tipos diferentes de células con funciones variadas. Por ejemplo, hay diferentes tipos de neuronas incluso en una sola capa de la corteza, señala Beyer, que pueden desempeñar papeles dispares en la enfermedad.
Beyer señaló la enfermedad de Alzheimer como una posible aplicación porque existen cambios espaciales a gran escala en el cerebro que pueden correlacionarse con características epigenómicas. Castelo-Branco también imagina que la tomografía epigenómica podría ser útil para estudios exploratorios de un órgano donde los investigadores no saben en qué región centrarse.[With single-cell methods] “No podemos estudiar un gran número de muestras y estamos limitados a una región”, explicó.
El equipo de Lu sigue explorando las aplicaciones óptimas de su método y, al estudiar muchos trastornos cerebrales diferentes, espera poder determinar el nivel adecuado de resolución espacial necesario para capturar los patrones en cada afección. “Creemos que es necesario contar con la tecnología adecuada para la pregunta específica que se está planteando”, afirmó. “No siempre es necesario contar con la más potente, porque hay un precio que pagar por ello”.
Referencias
1. Lu T, et al. Perfiles epigenómicos con resolución espacial de células individuales en tejidos complejos. Celúla. 2022;185(23):4448-4464.e17.
2. Deng Y, et al. Spatial-CUT&Tag: Perfiles de modificación de cromatina resueltos espacialmente a nivel celular. Ciencia. 2022;375(6581):681-686.
3. Liu Z, et al. Tomografía epigenómica para investigar el estado de la cromatina definido espacialmente en el cerebro. Métodos de representación celular. 2024;4(3):100738.
4. Junker JP, et al. Tomografía de ARN de todo el genoma en el embrión de pez cebra. Celúla. 2014;159(3):662-675.
5. Zhu B, et al. MOWChIP-seq para la elaboración de perfiles multiplexados y de bajo consumo de modificaciones de histonas en todo el genoma. Protocolo nacional. 2019;14(12):3366-3394.