Los 200 tipos diferentes de células en el cuerpo comienzan con el mismo genoma de ADN. Para diferenciarse en familias de células óseas, células musculares, células sanguíneas, neuronas y el resto, se deben activar o desactivar diferentes programas genéticos.
Revelar las intrincadas formas en que esto se hace es uno de los grandes objetivos de la investigación biomédica, especialmente porque la desregulación de los programas genéticos es la base de enfermedades como el cáncer y las causadas por la inflamación destructiva.
Si bien se conocen algunas influencias generales del metabolismo celular en el control de genes; como el hecho de que el metabolismo de la glutamina por parte de las células madre embrionarias influye en la diferenciación y provoca algunos cambios epigenéticos en el ADN, así como en las proteínas que compactan o desenredan el ADN genómico -; una brecha importante en el conocimiento actual es cómo estos eventos epigenéticos amplios se traducen con precisión en programas genéticos de diferenciación específicos.
Un equipo de investigación, dirigido por la primera autora y estudiante graduada de la Universidad de Alabama en Birmingham, Danielle Chisolm, y la autora correspondiente Amy Weinmann, Ph.D., profesora de microbiología de la UAB, ahora informan un mecanismo que vincula la absorción de glutamina en la célula con el control de selectos programas genéticos. Este hallazgo muestra que el metabolismo -; que generalmente se piensa en términos de producción de energía o construcción de los componentes básicos de la célula; también puede actuar a través de este mecanismo para ayudar a dar forma al destino de una célula en la diferenciación.
En un informe publicado en Inmunidad, una revista de Cell Press, muestran que un metabolito intracelular de la glutamina, el alfa-cetoglutarato, juega un papel en la regulación de los programas de diferenciación celular al cambiar los patrones de unión al ADN del factor de transcripción CTCF y al alterar las interacciones del genoma. Como un nivel adicional de complejidad de control del programa de genes, han encontrado que el contexto del genoma cerca de los sitios de unión -; como cambios epigenéticos o topología genómica alterada -; afecta si la unión activa o desactiva los programas genéticos.
«Estamos realmente interesados en comprender cómo cada célula sabe cómo expresar su ADN de una manera apropiada para ese tipo de célula», dijo Weinmann. “Esa pregunta es absolutamente fundamental a medida que te vas desarrollando como organismo, cómo cada célula sabe ser lo que necesita ser en cada momento. Es fundamental en la respuesta inmune, porque si la respuesta inmune no se forma adecuadamente , o no puede eliminar una infección o tiene enfermedades autoinmunes, como diabetes o lupus. En el cáncer, si la célula no sabe cómo ser la célula que necesita ser, puede hiperproliferar y tiene una estado canceroso.
«Por lo tanto, tanto en el desarrollo normal como en todos estos estados patológicos, la pregunta es, ‘¿cómo se expresa ese ADN?'».
Chisolm y Weinmann utilizaron un sistema modelo de células T, un tipo de célula inmunitaria que se diferencia en respuesta a infecciones u otros desafíos. Los investigadores también observaron las células madre embrionarias; que conservan la capacidad de diferenciarse en cualquier tipo de célula -; y encontró una relación intrigante entre los controles del programa de genes en las células T y en las células madre embrionarias.
Una cosa interesante que notaron fue que un subconjunto de los sitios de unión del genoma para CTCF después de la estimulación con alfa-cetoglutarato de las células T helper 1 (Th1) se asociaron con genes que se sabía que se expresaban temprano en el desarrollo, incluso en células madre embrionarias. Cuando Chisolm y Weinmann probaron las células madre embrionarias, encontraron que un tercio de los genes que eran inducibles por alfa-cetoglutarato en las células madre embrionarias estaban asociados con las ubicaciones de los picos de unión de CTCF inducibles por alfa-cetoglutarato en las células Th1. Por lo tanto, los sitios de control utilizados durante el crecimiento del embrión probablemente también se usaron para controlar los cambios en las células T después de un desafío inmunológico.
En estudios mecanicistas como este documento, la estrategia de investigación de biología molecular es similar a la ingeniería inversa, donde los ingenieros extraen información de diseño desarmando una máquina para analizar sus piezas en detalle.
Chisolm, Weinmann y sus colegas de la UAB, el Instituto de Biotecnología HudsonAlpha, Huntsville, Alabama, y la Universidad de California-San Diego desarmaron figurativamente la maquinaria molecular en las células T, utilizando herramientas como niveles alterados de interleucina 2, niveles alterados de un permeable forma de alfa-cetoglutarato que puede atravesar la membrana celular, y adición de inhibidores enzimáticos o pequeños ARN de interferencia.
Su sistema modelo usó células T auxiliares o células T citotóxicas que se polarizaron en condiciones de tipo 1 y se mantuvieron en concentraciones ambientales altas o bajas de interleucina 2. Estas diferentes concentraciones de señalización de interleucina 2 impulsan a las células a activar diferentes programas de genes y desarrollar genes. programas similares a los de las células T efectoras o de memoria. Anteriormente se sabía que los altos niveles de interleucina 2 asociados con las células T efectoras también impulsan cambios metabólicos que incluyen la absorción de glutamina y el metabolismo que resulta en altos niveles intracelulares de alfa-cetoglutarato.
Para comenzar el estudio mecánico, los investigadores agregaron alfa-cetoglutarato permeable a las células T mantenidas en niveles bajos de interleucina 2 para ver cuántos de los cambios en la expresión génica causados por la interleucina 2 alta también fueron impulsados por la introducción de alfa-cetoglutarato intracelular alto.
Descubrieron que agregar alfa-cetoglutarato permeable a la condición de interleucina 2 baja indujo aproximadamente un tercio del programa genético inducido por la interleucina 2 alta en relación con la interleucina 2 baja en las células T, mientras que inhibió alrededor del 10 por ciento de los genes que se expresaron más. en condiciones bajas de interleucina 2 en relación con condiciones altas de interleucina 2. Por lo tanto, el alfa-cetoglutarato parece ser responsable de parte, pero no de todo, del impacto de la interleucina 2 en la programación genética de las células T.
Luego siguieron el rastro molecular hasta el mecanismo de unión diferencial de CTCF, utilizando métodos experimentales que incluían secuenciación de ARN, mediciones de la expresión de proteínas, secuenciación de inmunoprecipitación de cromatina, Hi-C in situ y bioinformática.
