This story was published in English on April 17th, 2024.
Cuando una célula se divide, su ADN, es decir, su material genético, se duplica y condensa en unas estructuras llamadas cromosomas. Estas estructuras se organizan y distribuyen de manera precisa para que cada célula hija adquiera una dotación cromosómica completa y exacta durante la división celular. Cada par de cromosomas emplea su centrómero para situarse en el centro de la célula, lo que garantiza la entrega del número exacto de cromosomas a cada una de las células hijas en la división celular; pero, ¿cómo saben los cromosomas adónde ir? Ésta es la función del cinetocoro, una red conservada de proteínas que unen cada cromosoma a filamentos de microtúbulos durante la segregación cromosómica. El cinetocoro se compone de dos partes: el cinetocoro interno, que se une al centrómero, y el cinetocoro externo, que se une a los microtúbulos. Si en la segregación cromosómica algo sale mal y las células acaban con demasiados o muy pocos cromosomas, se pueden volver cancerosas.
Como los cinetocoros son indispensables para la distribución adecuada de los cromosomas durante la división celular, y producen anomalías cromosómicas si tienen defectos, es vital comprender su estructura para investigar su función. Lamentablemente, la estructura de los cinetocoros aún no está completamente identificada. Este fue precisamente el objetivo que la Dra. Sue Biggins, profesora de la División de Ciencias Básicas, y su equipo se propusieron en su última publicación. El equipo construyó la estructura de cinetocoros nativos de levaduras termófilas a partir del uso de varias técnicas de biología estructural.
"Como tiene tantos componentes, por mucho tiempo fue difícil crear un modelo arquitectónico detallado de un cinetocoro completo", comentó Daniel Barrero, estudiante de posgrado en el laboratorio de la Dra. Biggins y autor principal del estudio. "Es la primera vez que logramos visualizar cinetocoros nativos y en gran parte completos en hielo, lo cual brinda mucha más información sobre la estructura de los cinetocoros en su contexto celular", añadió Barrero.
Expresar y purificar grandes cantidades de los distintos componentes del cinetocoro, reconstituir el complejo in vitro y determinar su estructura. Suena fácil, ¿no? El dilema es que los cinetocoros de mamíferos tienen cientos de componentes proteicos distintos, lo que dificulta enormemente esta tarea. Por lo tanto, Barrero recurrió a un modelo más sencillo: la levadura. Dado que los cinetocoros de la levadura y los mamíferos tienen componentes y funciones en común, es un sistema modelo ideal para purificar y construir cinetocoros.
Para conseguirlo, Barrero purificó cinetocoros nativos de la levadura termófila denominada Kluyveromyces marxianus. Esta levadura puede vivir a altas temperaturas y tiene complejos cinetocóricos más estables que facilitan los análisis de biología estructural. Luego, el investigador comprobó si los cinetocoros purificados eran funcionales mediante una prueba de atrapamiento óptico, que mide la fuerza de las uniones cinetocoro-microtúbulo. Barrero explicó el emocionante hallazgo con el que confirmó la funcionalidad de los cinetocoros nativos de K. marxianus: "Los cinetocoros de K. marxianus presentaron uniones microtubulares robustas con una fuerza de ruptura media similar a la de los cinetocoros purificados de S. cerevisiae".
Después empleó técnicas distintas de biología estructural para esclarecer la estructura de los cinetocoros de K. marxianus. En primer lugar, utilizó un microscopio electrónico y descubrió que "los cinetocoros aparecían como grandes estructuras similares a pinceles, con un extremo ensanchado en forma de 'escobilla' y un centro más compacto, que a menudo tenía una proyección larga y delgada, parecida al 'mango' de un pincel". Además, Barrero descubrió que la parte ancha de la "escobilla" corresponde al cinetocoro externo y puede unirse a los microtúbulos, mientras que el "mango" del cinetocoro interno se une al centrómero".
Después, con ayuda del Dr. Arimura Yasuhiro, profesor adjunto de la División de Ciencias Básicas, recurrió a la criotomografía electrónica (CryoET en inglés) para visualizar los cinetocoros con una mayor resolución. De hecho, la CryoET reveló que "los enlaces entre las puntas de la escobilla y la región compacta aparecen como fibrillas largas y flexibles que son más fáciles de distinguir en comparación con las imágenes de tinción negativa [microscopio electrónico]". Aunque Barrero pretendía construir modelos estructurales de los cinetocoros, no pudo hacerlo probablemente debido a "la flexibilidad y heterogeneidad de los cinetocoros, aunada a la dificultad de mantener la integridad estructural de los cinetocoros". Por esta razón, Barrero recurrió a la microscopía de fuerza atómica (AFM en inglés). Observó la misma estructura parecida a un pincel que había registrado antes, además de partículas más compactas en las que el mango parece estar cerca de la cabeza del pincel y partículas en las que el mango no es visible. La AFM también reveló la flexibilidad de las puntas del pincel y el mango, así como la ausencia de conexiones rígidas entre el cinetocoro interno y el externo.
"Estos cinetocoros eran mucho más grandes y dinámicos de lo que esperábamos", dijo Barrero. "Ahora tenemos mucha curiosidad por saber a qué se debe la alta densidad del cinetocoro interno que vemos en nuestros datos, además de sus proteínas claramente confirmadas." Al investigador también le entusiasma "añadir microtúbulos a la mezcla e intentar visualizar por primera vez en alta resolución cómo los cinetocoros completos se acoplan a ellos".
La investigación destacada recibió el financiamiento de los Institutos Nacionales de la Salud, el Howard Hughes Medical Institute [Instituto Médico Howard Hughes] y el Stavros Niarchos Foundation Institute for Global Infectious Disease Research [Instituto de Investigación de Enfermedades Infecciosas Mundiales de la Fundación Stavros Niarchos].
El Dr. Charles "Chip" Asbury y la Dra. Sue Biggins, integrantes del Fred Hutch/University of Washington/Seattle Children's Cancer Consortium, contribuyeron a este estudio.
Barrero DJ, Wijeratne SS, Zhao X, Cunningham GF, Rui Y, Nelson CR, Arimura Y, Funabiki H, Asbury CL, Yu Z, Subramanian R, Biggins S. (2024). Architecture and flexibility of native kinetochores revealed by structural studies utilizing a thermophilic yeast. bioRxiv
Este artículo fue traducido de la versión original en inglés al español por Ángela María Carvajal con la revisión de Adriana Nodal-Tarafa en coordinación con las escritoras actuales Joselyn Landazuri y Annabel Olson.