Mecanismos de la dinámica de la cromatina en potenciadores durante la diferenciación de las células ES

Las células ES humanas tienen propiedades notables de autorrenovación y un potencial ilimitado para diferenciarse en otros tipos de células del cuerpo. La determinación del destino celular en las células ES implica la activación selectiva y el silenciamiento de genes específicos, un proceso que se acompaña de modificaciones dinámicas de las proteínas histonas. Entre las modificaciones de las histonas que tienen lugar durante la diferenciación de las células ES se encuentra la metilación dinámica de la histona H3 en una clase de ADN regulador conocido como potenciadores. Actualmente, aún se desconocen los mecanismos moleculares que conducen a la formación de esta modificación característica de las histonas en los potenciadores. El proyecto propuesto tiene como objetivo responder a esta pregunta. Nuestra hipótesis es que la función potenciadora requiere la unión de factores de transcripción específicos de secuencia que reclutan enzimas de modificación de histonas. También planteamos la hipótesis de que las modificaciones de las histonas en los potenciadores a su vez facilitan el reclutamiento de proteínas de unión a la cromatina y posiblemente factores de transcripción adicionales para mediar la activación transcripcional. En el primer año del proyecto de cinco años, llevamos a cabo experimentos para identificar los sitios de unión al ADN para los factores de transcripción Oct5, Sox4, Nanog y Klf2. Los resultados identifican una gran cantidad de potenciadores en los que estos factores actúan para controlar la expresión génica en células ES humanas. También hemos comenzado a caracterizar una proteína de unión a cromatina que se sospecha reconoce la firma de la cromatina en los potenciadores.

Las células ES humanas tienen propiedades notables de autorrenovación y un potencial ilimitado para diferenciarse en otros tipos de células del cuerpo. La determinación del destino celular en las células ES implica la activación selectiva y el silenciamiento de genes específicos, un proceso que se acompaña de modificaciones dinámicas de las proteínas histonas. Entre las modificaciones de las histonas que tienen lugar durante la diferenciación de las células ES se encuentra el establecimiento de firmas de cromatina únicas en una clase de ADN regulador conocido como potenciadores. Actualmente, se desconocen los mecanismos moleculares que conducen a la formación de firmas características de modificación de histonas en los potenciadores. El proyecto propuesto tiene como objetivo responder a esta pregunta. Nuestra hipótesis es que la función potenciadora requiere la unión de factores de transcripción específicos de secuencia que reclutan enzimas de modificación de histonas responsables del patrón único de modificación de histonas en estas secuencias. También planteamos la hipótesis de que las modificaciones de las histonas en los potenciadores a su vez facilitan el reclutamiento de proteínas de unión a la cromatina y posiblemente factores de transcripción adicionales para mediar la activación transcripcional. Durante el segundo año del proyecto de cinco años, hemos podido identificar una supuesta enzima modificadora de la cromatina reclutada en los potenciadores y posiblemente involucrada en el establecimiento de la firma de modificación de la cromatina allí. También hemos identificado una proteína efectora potencial que se une a la modificación de la cromatina en potenciadores y potencialmente participa en la activación de la transcripción de genes diana. La investigación sienta las bases para el estudio mecanicista de potenciadores transcripcionales en las células ES humanas.

La pluripotencia de las células madre embrionarias (ES), es decir, las propiedades de proliferar indefinidamente en cultivo y diferenciarse en prácticamente cualquier otro tipo de célula del cuerpo, está controlada por un puñado de factores de transcripción, que son proteínas que se unen al ADN y activan selectivamente expresión de genes específicos. El principal objetivo de este proyecto es comprender cómo los factores de transcripción median en la activación selectiva de genes implicados en la pluripotencia de las células ES. En el actual período de financiación, hemos demostrado que la diferenciación de las células ES va acompañada de modificaciones dinámicas de las proteínas histonas, los componentes básicos de los cromosomas que desempeñan funciones críticas en la regulación genética. Las modificaciones dinámicas de las histonas ocurren donde se unen estos factores de transcripción y parecen ser dependientes de la unión de los factores de transcripción y capaces de facilitar su unión a las mismas regiones. Así, las modificaciones de las histonas y los factores de transcripción regulan juntos la autorrenovación y la pluripotencia de las células ES.

La pluripotencia de las células madre embrionarias (ES), es decir, las propiedades de proliferar indefinidamente en cultivo y diferenciarse en prácticamente cualquier otro tipo de célula del cuerpo, está controlada por un puñado de factores de transcripción, que son proteínas que se unen al ADN y activan selectivamente expresión de genes específicos. El principal objetivo de este proyecto es comprender cómo los factores de transcripción median en la activación selectiva de genes implicados en la pluripotencia de las células ES. En los períodos de financiación anteriores, demostramos que la diferenciación de las células ES va acompañada de modificaciones dinámicas de las proteínas histonas en las regiones genómicas donde se unen los factores reguladores clave de las células madre. En el ciclo de financiación actual, identificamos una proteína involucrada en la regulación del estado de modificación de la cromatina en el genoma de las células ES y demostramos que la pérdida de esta proteína da como resultado una regulación positiva de más de mil genes en la célula ES. También identificamos una proteína que reconoce la marca de modificación de la cromatina en los sitios de unión del factor de transcripción y demostramos que su distribución genómica es consistente con su papel en la mediación de la activación transcripcional en las células ES. Finalmente, para comprender mejor los mecanismos de regulación transcripcional, determinamos la organización tridimensional del genoma en células madre embrionarias humanas y de ratón. Descubrimos que los cromosomas de estas células se dividen en dominios genómicos de tamaño megabase que son en gran medida estables e invariantes durante la diferenciación celular y altamente conservados durante la evolución. Los resultados de la presente investigación han arrojado nueva luz sobre los mecanismos de activación genética en las células ES y nos ayudarán a diseñar mejores estrategias para manipular las células madre embrionarias para terapias basadas en células.

La pluripotencia de las células madre embrionarias (ES), es decir, las propiedades de proliferar indefinidamente en cultivo y diferenciarse en prácticamente cualquier otro tipo de célula del cuerpo, está controlada por un puñado de factores de transcripción, que son proteínas que se unen al ADN y activan selectivamente expresión de genes específicos. El principal objetivo de este proyecto es comprender cómo los factores de transcripción median en la activación selectiva de genes implicados en la pluripotencia de las células ES. Estudios anteriores han demostrado que los factores de transcripción actúan interactuando con secuencias específicas de ADN con función reguladora. No se ha entendido completamente cómo estos factores regulan los niveles de expresión genética. Anteriormente, demostramos que la diferenciación de las células ES va acompañada de modificaciones dinámicas y características de las proteínas histonas en las regiones genómicas donde se unen los factores reguladores clave de las células madre. En el ciclo de financiación actual, determinamos modificaciones dinámicas globales de histonas en células ES humanas a medida que se diferencian en cuatro linajes celulares distintos que representan los principales tipos de células en embriones tempranos. Identificamos más de 100,000 secuencias reguladoras potenciales que podrían participar en el mantenimiento de la pluripotencia o impulsar la diferenciación de células ES a linajes específicos. Mediante análisis bioinformático, identificamos una serie de factores de transcripción candidatos que reconocen estas secuencias reguladoras candidatas y pueden desempeñar un papel en la diferenciación de las células ES. Además, identificamos cuatro grandes complejos proteicos que se unen selectivamente a las secuencias reguladoras en las células ES de una manera que depende de la presencia de la modificación característica de las histonas. Los resultados de la presente investigación avanzaron en nuestra comprensión de los mecanismos de activación genética en las células ES y nos ayudarán a diseñar mejores estrategias para manipular las células madre embrionarias para terapias basadas en células.