Investigadores de la Universidad de Nueva York han creado artificial Hox genes, que planifican y dirigen hacia dónde van las células para desarrollar tejidos u órganos, utilizando nueva tecnología de ADN sintético e ingeniería genómica en células madre.
Sus hallazgos, publicados en Cienciasconfirme cómo los grupos de Hox Los genes ayudan a las células a aprender y recordar dónde se encuentran en el cuerpo.
Hox Los genes como arquitectos del cuerpo.
Casi todos los animales, desde los humanos hasta las aves y los peces, tienen un eje anterior-posterior, o una línea que va desde la cabeza hasta la cola. Durante el desarrollo, los genes Hox actúan como arquitectos, determinando el plan de dónde van las células a lo largo del eje, así como las partes del cuerpo que componen. Hox los genes aseguran que los órganos y tejidos se desarrollen en el lugar correcto, formando el tórax o colocando las alas en las posiciones anatómicas correctas.
Si Hox los genes fallan por mala regulación o mutación, las células pueden perderse, desempeñando un papel en algunos tipos de cáncer, defectos de nacimiento y abortos espontáneos.
“No creo que podamos entender el desarrollo o la enfermedad sin entender Hox genes”, dijo Esteban Mazzoni, profesor asociado de biología en la NYU y coautor principal del estudio.
A pesar de su importancia en el desarrollo, Hox los genes son difíciles de estudiar. Están estrechamente organizados en grupos, con sólo Hox genes en la pieza de ADN donde se encuentran y ningún otro gen que los rodee (lo que los científicos llaman un “desierto de genes”). Y aunque muchas partes del genoma tienen elementos repetitivos, Hox los grupos no tienen tales repeticiones. Estos factores los hacen únicos pero difíciles de estudiar con la edición de genes convencional sin afectar a los vecinos. Hox genes
Empezar de nuevo con ADN sintético
¿Podrían los científicos crear artificial Hox genes para estudiarlos mejor, en lugar de depender de la edición de genes?
“Somos muy buenos leyendo el genoma o secuenciando el ADN. Y gracias a CRISPR, podemos hacer pequeñas ediciones en el genoma. Pero todavía no somos buenos escribiendo desde cero”, explicó Mazzoni. “Escribir o construir nuevas piezas del genoma podría ayudarnos a probar la suficiencia; en este caso, descubrir cuál es la unidad más pequeña del genoma necesaria para que una célula sepa dónde está en el cuerpo”.
Mazzoni se asoció con Jef Boeke, director del Instituto de Genética de Sistemas de la Facultad de Medicina Grossman de la Universidad de Nueva York, conocido por su trabajo de síntesis del genoma de una levadura sintética. El laboratorio de Boeke buscaba traducir esta tecnología a células de mamíferos.
El estudiante graduado Sudarshan Pinlay en el laboratorio de Boeke fabricó largas hebras de ADN sintético copiando el ADN del Hox genes de ratas. Luego, los investigadores colocaron el ADN en una ubicación precisa dentro de las células madre pluripotentes de ratones. El uso de diferentes especies permitió a los investigadores distinguir entre el ADN de rata sintético y las células naturales de ratones.
“El Dr. Richard Feynman opinó célebremente: ‘Lo que no puedo crear, no lo entiendo’. Ahora estamos un paso gigante más cerca de entender Hox”, dijo Boeke, quien también es profesor de bioquímica y farmacología molecular en NYU Grossman y es coautor principal del estudio.
Estudiando Hox racimos
con lo artificial Hox ADN en células madre de ratón, los investigadores ahora podrían explorar cómo Hox los genes ayudan a las células a aprender y recordar dónde están. En mamíferos, Hox Los clústeres están rodeados por regiones reguladoras que controlan cómo el Hox los genes se activan. Se desconocía si se requería el grupo solo o el grupo más otros elementos para que las células aprendieran y recordaran dónde están.
Los investigadores descubrieron que estos grupos densos en genes por sí solos contienen toda la información necesaria para que las células decodifiquen una señal posicional y la recuerden. Esto sugiere que la naturaleza compacta de Hox grupos es lo que ayuda a las células a aprender su ubicación, lo que confirma una hipótesis de larga data sobre Hox genes que antes era difícil de probar.
La creación de ADN sintético y artificial. Hox genes allana el camino para futuras investigaciones sobre el desarrollo animal y las enfermedades humanas.
“Diferentes especies tienen diferentes estructuras y formas, muchas de las cuales dependen de cómo Hox los grupos se expresan. Por ejemplo, una serpiente es un tórax largo sin extremidades, mientras que una raya no tiene tórax y solo tiene extremidades. Una mejor comprensión de Hox los grupos pueden ayudarnos a comprender cómo estos sistemas se adaptan y modifican para hacer diferentes animales”, dijo Mazzoni.
“En términos más generales, esta tecnología de ADN sintético, para la que hemos construido una especie de fábrica, será útil para estudiar enfermedades que son genómicamente complicadas y ahora tenemos un método para producir modelos mucho más precisos para ellas”, dijo Boeke.
Este trabajo fue apoyado en parte por los Institutos Nacionales de Salud (subvenciones RM1HG009491, R01AG075272, R01NS100897, R01GM127538 y F32CA239394), New York State Stem Cell Science (C322560GG) y Melanoma Research Foundation (687306).