Teoría de redes de internet para descifrar la primera red de comunicación del epigenoma

Una de las grandes preguntas todavía sin respuesta de la biología es cómo a partir de las cuatro letras universales que conforman el ADN se puede dar identidad a organismos tan diferentes como una mosca o un humano, o a los diversos órganos y tejidos que los conforman. En los últimos años, los investigadores han descubierto que el sistema es mucho más complejo de lo que se pensaba. Las letras son importantes, pero sus instrucciones se pueden maquillar a través de modificaciones químicas para dirigir el manejo de la información contenida en el ADN hacia la formación, por ejemplo, de un ojo o el páncreas en el embrión. Algunos maquillajes también pueden asociarse a procesos patológicos y la generación de enfermedades como el cáncer.

El equipo del Grupo de Biología Computacional Estructural del Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO), liderado por Alfonso Valencia, vicedirector de Investigación Básica del Centro, ha utilizado la teoría de redes para construir y estudiar la primera red de comunicación entre los componentes que conforman este maquillaje del genoma, conocido como epigenoma. Las conclusiones se hacen públicas hoy en la revista Cell Reports.

Genes que se encienden y se apagan

Las marcas epigenómicas serían como una red de interruptores que determinan qué regiones del genoma se encienden y serán visibles para la célula. De este modo, la misma información genética contenida en todas las células de un ser vivo puede generar tipos celulares distintos, hasta cientos en el ser humano, que utilizan unos genes y descartan otros para su funcionamiento.

Para profundizar en este conocimiento, los investigadores han recogido datos de la literatura que incluyen tres modificaciones químicas en la citosina (letra “C” del ADN), 13 modificaciones de histonas (las proteínas sobre las que se enrolla el ADN) y 61 proteínas asociadas a histonas, utilizando como modelo células madre embrionarias de ratón.

Aplicando los algoritmos matemáticos utilizados para medir la popularidad e influencia de las páginas web, han llegado a la conclusión de que la marca 5hmC (modificación química de la citosina con un grupo hidroximetilo en la posición 5’) es la más influyente de la red de comunicación de las células madre, como lo son ciertas páginas de Wikipedia o Facebook en las redes de internet.

5hmC, el epicentro

“Hemos hecho una aproximación de biología de sistemas estudiando las señales de la cromatina [el ADN con sus modificaciones químicas y proteínas que se unen] como un sistema en su conjunto, y a partir de esto hemos construido la primera red de comunicación entre estas señales”, señala Daniel Rico, investigador del CNIO que ha liderado el estudio junto a Valencia. “En este caso hablamos de un sistema de comunicación interno de la célula, dentro del núcleo”.

Según describe el trabajo, 5hmC actúa como una señal clave que conecta marcas químicas sobre el ADN, como la desmetilación, con complejos que remodelan las histonas o factores de transcripción —proteínas que alteran directamente la expresión de los genes—. A través de estas conexiones, esta señal sobre la citosina regula cambios en la compactación de la cromatina, procesos de diferenciación celular o el metabolismo energético en las células madre embrionarias.

En paralelo, se llevaron a cabo análisis filogenéticos de la red de comunicación que apuntan también a 5hmC como la marca que ha orquestado la evolución coordinada, o coevolución, del conjunto de señales asociadas a la cromatina.

El siguiente paso es saber si los resultados pueden también atribuirse a otros tipos celulares. “Se sabía que 5hmC es muy abundante en células madre embrionarias, pero ahora sabemos que también lo es en otros tipos celulares como las neuronas o ciertos tumores”, afirman los autores del trabajo.

Y añaden: “Las células del cáncer tienen características de células madre, por lo que es muy sugerente investigar si estos resultados pueden también trasladarse al epigenoma del cáncer, lo que daría nuevos datos sobre su regulación”.

El trabajo se ha hecho en colaboración con el equipo de Martin Vingron del Instituto Max Planck de Genética Molecular en Berlín, y ha sido financiado por la Unión Europea a través del Consorcio BLUEPRINT, dirigido a explorar el epigenoma. Esta publicación forma parte del primer conjunto de publicaciones del Consorcio Internacional del Epigenoma Humano (IHEC, por sus siglas en inglés).