Gracias al aprendizaje automático y a la microscopía de fluorescencia de alto rendimiento se ha conseguido visualizar la maquinaria de reparación del ADN a un detalle nunca antes visto

Con ayuda del aprendizaje automático (machine learning, en inglés) –una rama de la inteligencia artificial que permite al sistema identificar patrones entre los datos para hacer predicciones– aplicado a la microscopía de fluorescencia de alto rendimiento, investigadores del Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO) y del Massachussets General Hospital  (Estados Unidos) han conseguido visualizar esta maquinaria de reparación del ADN a un detalle nunca antes visto e identificar nuevas proteínas reparadoras. Estos resultados, publicados en la revista Cell Reports, podrían ayudar al desarrollo de nuevas terapias contra el cáncer.

Tan pronto se produce un daño en el material genético, por ejemplo una rotura de la doble cadena del ADN, la célula activa unos mecanismos de respuesta que funcionan como “una llamada de emergencias”, ejemplifica Bárbara Martínez, autora principal del estudio e investigadora del CNIO. Rápidamente, unas proteínas se unen a esta lesión molecular para enviar señales de alarma, que serán reconocidas por otras proteínas especializadas en corregir el daño.

En busca de mejores terapias contra el cáncer

El objetivo de la quimioterapia es justamente matar a las células tumorales al inducir lesiones en el ADN, que provocan el colapso de las células y su muerte. “Al saber cómo se producen las lesiones en el ADN y cómo se reparan, conoceremos mejor cómo se desarrolla el cáncer y cómo combatirlo. Todo nuevo descubrimiento en la reparación de ADN ayudará a desarrollar mejores terapias contra el cáncer, pero protegiendo nuestras células sanas”, detalla la experta.

Los investigadores han creado una nueva metodología que, con la ayuda de un método de análisis de machine learning diseñado por la Unidad de Confocal del CNIO, permite analizar este proceso con un grado de detalle y precisión nunca antes conseguido. “Hasta la fecha, un factor limitante para el seguimiento en el tiempo de la reparación del ADN era la imposibilidad de analizar la cantidad de datos generados de las imágenes tomadas por el microscopio”.

Para ello, los investigadores han empleado microscopía de fluorescencia de alto rendimiento para realizar miles de fotografías de las células después de inducirles un daño genético. En una primera fase, introdujeron más de 300 proteínas diferentes en las células y evaluaron en un solo experimento si interferían en la reparación del ADN a lo largo del tiempo. Esta técnica ha facilitado el descubrimiento de nueve proteínas inéditas que participan en este proceso.

Proteínas reparadoras

Posteriormente, los autores decidieron dar un paso más allá y monitorizaron visualmente las 300 proteínas después de generar el daño genético. Para ello, adaptaron una técnica clásica de microirradiación del ADN –que daña este con ayuda de un láser ultravioleta– para usarla a gran escala por primera vez.

“Vimos que muchas proteínas se pegaban al ADN dañado y otras hacían justo lo contrario: se alejaban de las lesiones. Que se unan o se despeguen del ADN dañado para dar paso a otras proteínas reparadoras es una característica común de las proteínas reparadoras del ADN. Los dos fenómenos son relevantes”, explica Martínez.

Las células sin PHF20 –una de las proteínas descubiertas en este estudio– no pueden reparar correctamente su ADN y son más sensibles a la irradiación que las células normales

Entre las proteínas descubiertas está PHF20. Los autores han demostrado que esta proteína se despega de las lesiones segundos después de que se formen para facilitar la unión de 53BP1, una proteína muy importante para la reparación de las roturas. Las células sin PHF20 no pueden reparar correctamente su ADN y son más sensibles a irradiación que las células normales, lo que indica que tiene un papel fundamental en este proceso tan importante para la supervivencia de las células.

Estas nuevas tecnologías ofrecen nuevas oportunidades para estudiar la reparación del ADN y su manipulación. “La ventaja es que son métodos muy versátiles que pueden usarse para descubrir nuevos genes o compuestos químicos que afecten a la reparación del ADN, y que utilizan técnicas directas para visualizar fenómenos intracelulares de reparación”, concluye la investigadora.

 marzo 10/2022 (SINC)

Referencia: 

Martínez-Pastor et al. “Assessing kinetics and recruitment of DNA repair factors using high content screens”. Cell Reports, 2021. DOI: 10.1016/j.celrep.2021.110176

El cerebro humano está compuesto por miles de tipos de neuronas distintas. Esta diversidad neuronal permite que cada tipo lleve a cabo una función distinta. Sin embargo, en la actualidad todavía no se conoce con exactitud el mecanismo de generación de las distintas clases que existen. “Todas las neuronas proceden de células madre que proliferan durante el desarrollo del cerebro”, explica Jorge García-Marqués. “Como ocurre con las personas, cada neurona tiene un origen distinto.

Pensamos que una razón fundamental para que dos neuronas sean distintas es la familia a la que pertenecen. La nueva herramienta, denominada Clades (siglas de Cell lineage access driven by an edition sequence), permitirá conocer su procedencia, algo que hasta ahora ha resultado complicado con la tecnología existente”.

Inicialmente Clades se creó para trazar familias de neuronas en el cerebro de la mosca del vinagre y del pez cebra, pero las aplicaciones de esta tecnología van mucho más allá. “Como si se tratase de un ordenador, las células ejecutan órdenes genéticas previamente programadas con el sistema, una detrás de la otra, lo que activa e inactiva genes siguiendo la secuencia deseada”, explica la investigadora Isabel Espinosa-Medina, que participa en el proyecto y actualmente desarrolla esta técnica en mamíferos en el Howard Hughes Medical Institute en Estados Unidos.

Reparación y reprogramación

Basada en la nueva técnica de edición genética CRISPR, la herramienta abre la puerta al desarrollo de tipos celulares concretos para sustituir su pérdida en algunos tipos de lesiones y enfermedades neurodegenerativas. Esta herramienta permite identificar la historia genética anterior de una neurona hasta que ha llegado a ser lo que es, y programar a la carta la activación secuencial de cascadas genéticas de diferenciación.

Ambas cosas son fundamentales para lograr la reparación y reprogramación el cerebro. “Si pudiéramos recuperar esos tipos celulares podríamos mejorar la vida del enfermo. Aunque hoy en día podemos generar neuronas en el laboratorio, sigue siendo imposible producir un tipo de neurona concreta, ya que faltan las herramientas genéticas que permitan imitar lo que ocurre cuando nuestro cerebro se desarrolla dentro del útero. El método Clades puede activar y desactivar la expresión de genes concretos en orden, que es exactamente lo que ocurre durante el desarrollo de los distintos tipos celulares”, concluye García-Marqués.

agosto 04/2020 (Diario Médico)

Gracias a la implantación de células madre encapsuladas en un biomaterial inocuo y totalmente biocompatible -la fibroína de la seda- ha conseguido la recuperación funcional de ratones a los que se había inducido un infarto cerebral. Esta encapsulación ha demostrado incrementar la tasa de supervivencia de las células madre implantadas en el cerebro lo que, además de influir positivamente en la reparación del tejido nervioso dañado, evita la extensión de la lesión.

Una gran variedad de enfermedades neurológicas producen discapacidades físicas y cognitivas permanentes. Nuestro sistema nervioso tiene una capacidad muy limitada para recuperarse tras una lesión, como sucede por un lado en el ictus y en los traumatismos cerebrales y, por otro, en las enfermedades neurodegenerativas como el alzhéimer o el párkinson donde se produce un deterioro progresivo de la función de nuestro cerebro.

La terapia con células madre ha supuesto un salto estratégico enorme para el tratamiento de estas enfermedades dado su potencial terapéutico para proteger y reparar el cerebro dañado. Sin embargo, el trasplante de células madre no está exento de dificultades, entre otras, su reducida supervivencia en el cerebro tras el trasplante, lo que representa una importante barrera para lograr la mayor eficacia terapéutica posible.

Mejora de las capacidades sensoriales y motoras

Tras el tratamiento, los ratones experimentaron una mejoría significativa de sus capacidades sensoriales y motoras, que habían quedado profundamente alteradas tras el infarto cerebral. Además, mediante técnicas electrofisiológicas, los investigadores demostraron que esta mejoría funcional se acompañó de fenómenos de reorganización cerebral en áreas adyacentes a la zona de daño. Un aspecto significativo de este estudio fue que la fibroína de la seda aumentó considerablemente la supervivencia de las células madre implantadas en el cerebro, impidiendo una mayor extensión del daño tras el ictus cerebral inducido en los animales.

En opinión de Daniel González Nieto, investigador de la UPM: “Estos resultados abren una vía esperanzadora para el tratamiento de los desórdenes neurológicos mediante un nuevo tipo de terapia avanzada basada en la utilización de la fibroína de la seda como vehículo de liberación de fármacos y células logrando con ello aumentar el rendimiento terapéutico y la mejoría funcional de los pacientes”.