Google Maps per genomi

Se solo la cromatina si potesse navigare come Google Maps. Allora potremmo seguirne le anse come tornanti di montagna, accelerare su uno dei rari rettilinei per veder scorrere, come tanti cartelli stradali, i marker epigenetici che decorano il DNA e infine potremmo infilarci alla cieca in lunghi tunnel di nucleosomi, per poi scoprire che il ripiegamento della cromatina ci ha fatto sbucare migliaia di basi più in là. Sembra fantascienza, ma la realtà non è poi così lontana. Negli ultimi anni sono state messe a punto diverse piattaforme di visualizzazione 3D del genoma, grazie alle quali oggi è possibile ricostruire la struttura tridimensionale della cromatina e osservarla nei minimi dettagli.

Una schermata di un programma di visualizzazione della struttura 3D della cromatina (Immagine: Djekidel MN et al. Quantitative biology 2017)

 

Cromatina, dalla struttura alla funzione

Il bandeggio cromosomico è stato per molti anni uno strumento indispensabile per classificare i cromosomi e individuare con buona precisione la posizione di loci genetici. Per quanto prezioso, questo sistema non è di grande aiuto quando si tratta di mettere in relazione la sequenza di una stringa di DNA con la sua funzione strutturale nella cromatina. I ripiegamenti del DNA all’interno del nucleo non sono infatti casuali, e per un ottimo motivo: per esempio, il folding della cromatina permette di portare un gene nelle vicinanze delle sue sequenze regolatorie, come per esempio un enhancer che si trova a molte paia di basi di distanza. In definitiva, sapere come avviene il ripiegamento della cromatina è un passo fondamentale per capire come funziona il genoma di una cellula.

 

1D, 2D, 3D: dalla sequenza lineare al modello tridimensionale

Un primo tentativo di studiare la struttura tridimensionale della cromatina risale al 2009, quando Erez Aiden e colleghi misero a punto Hi-C, un sistema per trasformare la stringa lineare del sequenziamento del DNA (struttura 1D) in matrici bidimensionali di interazione tra le sequenze (2D). Mancava ancora il passo successivo, quello più importante: la conversione di Hi-C in strutture 3D facilmente visualizzabili e interpretabili. Da allora, per le mani dei ricercatori sono passati terabasi di dati di sequenziamento e, dopo anni di prove, è nato finalmente Juicebox: una piattaforma open source completamente automatizzata e alla portata di tutti, che permette agli utenti di trasformare i semplici dati di sequenziamento in mappe tridimensionali del genoma.

Studio del ripiegamento della cromatina nella regione in cui i fattori GATA1 (in giallo) e GATA2 (in rosso) si legano sul cromosoma 11 (Immagine: Djekidel MN et al. Quantitative biology 2017)

 

Nuove mappe per orientarsi nel groviglio della cromatina

Juicebox non è l’unico strumento di questo tipo. Come riassume Jeffrey M. Perkel sulla pagina web di Nature, le piattaforme a disposizione sono oggi molte, ognuna con la sua peculiarità. Genome Browser permette di analizzare le sequenze delle basi insieme alle informazioni epigenetiche. Nonostante sia molto popolare tra i genetisti, si tratta però ancora di una tecnologia monodimensionale. Con 3D Genome Browser, però, è possibile allineare le mappe di due specie diverse per capire se, oltre ad alcune sequenze, sono state conservate dall’evoluzione anche il modello di ripiegamento della cromatina in quella regione. Chrom3D, sviluppato dall’Università di Oslo, mostra la posizione dei cromosomi rispetto alla membrana nucleare e aiuta a capire come la cromatina sia organizzata spazialmente all’interno del nucleo.

Questi strumenti amplificano le possibilità di studio e inaugurano una nuova generazione di studi di genomica, la cui punta di diamante sarà il 4D Nucleome Project. L’obiettivo del progetto è quello di ottenere una mappatura spaziale e temporale dell’organizzazione tridimensionale della cromatina. La facile condivisione dei dati di sequenziamento permetterà a diversi gruppi di mettere in comune gli strumenti di analisi e di stabilire relazioni funzionali tra diverse regioni del genoma, anche dal punto di vista evoluzionistico. Allacciate le cinture e impostate il navigatore sul genoma che preferite: il viaggio sta finalmente per iniziare.

 


Immagine Box: Djekidel MN et al. Quantitative biology 2017

Immagine Banner: Pixabay

Per la lezione

Prosegui la lettura

Commenti

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *