Investigadores capturan imágenes 3D de alta resolución de cromosomas humanos

Foto: Su et al . informan de un método basado en hibridación in situ de fluorescencia robusta a errores multiplexados (MERFISH) para el rastreo de cromatina a escala del genoma y demuestran la obtención de imágenes simultáneas de más de 1000 loci genómicos y transcripciones nacientes de más de 1000 genes junto con estructuras nucleares emblemáticas. Crédito de la imagen: Su et al ., Doi: 10.1016 / j.cell.2020.07.032.

Un equipo de científicos de la Universidad de Harvard han desarrollado una nueva tecnología de imágenes para visualizar la organización de la cromatina, una sustancia dentro de un cromosoma que consta de ADN y proteína, en múltiples escalas en células individuales con alto rendimiento genómico. El autor principal, el profesor Xiaowei Zhuang, investigador del Instituto Médico Howard Hughes, el Departamento de Química y Biología Química y del Departamento de Física de la Universidad de Harvard, dijo que: “Es muy importante determinar la organización 3D para comprender los mecanismos moleculares subyacentes a la organización y también comprender cómo esta organización regula la función del genoma”. Con su nuevo método de imágenes, el profesor Zhuang y sus colegas comenzaron a construir un mapa cromosómico a partir de imágenes de lente ancha de los 46 cromosomas y primeros planos de una sección de un cromosoma. Para observar algo que todavía es demasiado pequeño para visualizarlo, capturaron puntos conectados (loci genómicos) a lo largo de cada cadena de ADN.

Proceso de captura de imágenes

Al conectar muchos puntos, podrían formar una imagen completa de la estructura de la cromatina. “Pero hubo un inconveniente, la cantidad de puntos que podíamos visualizar e identificar estaba limitada por la cantidad de colores que podían visualizar juntos: tres. Tres puntos no pueden hacer una imagen completa ”, señaló el profesor Zhuang. Entonces, los investigadores propusieron un enfoque secuencial, es decir, tomar imágenes de tres loci diferentes, apagar la señal y luego tomar imágenes de otros tres en rápida sucesión. Con esa técnica, cada punto obtiene dos marcas identificativas: color e imagen redonda.”Ahora se obtiene 60 loci en imágenes y localizados simultáneamente y, lo que es más importante, identificados”, dijo el profesor Zhuang. Aún así, para cubrir todo el genoma, los autores necesitaban más, miles, por lo que recurrieron a un lenguaje que ya se usa para organizar y almacenar grandes cantidades de información: el binario. Al imprimir códigos de barras binarios en diferentes loci de cromatina, pudieron obtener imágenes de muchos más loci y decodificar sus identidades más tarde. Por ejemplo, una molécula de la que se obtiene una imagen en la primera ronda, pero no en la segunda, obtiene un código de barras que comienza con 10. Con códigos de barras de 20 bits, el equipo pudo diferenciar 2000 moléculas en solo 20 rondas de imágenes. El profesor Zhuang dijo que: “De esta manera combinatoria, podemos aumentar el número de moléculas que se obtienen e identifican mucho más rápidamente”. Con esta técnica, el equipo obtuvo imágenes de unos 2.000 loci de cromatina por célula, un aumento de más de diez veces respecto a su trabajo anterior y suficiente para formar una imagen de alta resolución de cómo se ve la estructura de los cromosomas en su hábitat nativo. También obtuvieron imágenes de la actividad de transcripción, cuando el ARN replica material genético del ADN, y estructuras nucleares como motas nucleares y nucléolos. Con las imágenes de alta resolución, el profesor Zhuang y sus coautores determinaron que las áreas con muchos genes tienden a agruparse en áreas similares en cualquier cromosoma. Pero las áreas con pocos genes solo se unen si comparten el mismo cromosoma. Si bien se necesita más investigación antes de confirmar esta teoría, una cosa ahora es segura: el entorno de la cromatina local afecta la actividad de transcripción. El equipo también descubrió que no hay dos cromosomas iguales, incluso en células que por lo demás son idénticas. “No será posible basarnos únicamente en nuestro trabajo. Necesitamos basarnos en el trabajo de muchos, muchos laboratorios para tener una comprensión completa”, dijo el profesor Zhuang.

Más detalles sobre esta investigación puede buscar: Jun-Han Su y col . Imágenes a escala genómica de la organización 3D y la actividad transcripcional de la cromatina. Cell , publicado en línea el 20 de agosto de 2020; doi: 10.1016 / j.cell.2020.07.032