Todos los genomas eucarióticos, independientemente de su tamaño, están sometidos a un enorme grado de compresión dentro del núcleo de la célula. El primer nivel de compactación está representado por los nucleosomas, que están formados por 147 pares de nucléotidos enrollados alrededor de un octámero de histonas y son las unidades estructurales básicas de la cromatina. Cada núcleo diploide humano contiene 2 metros de DNA y unos 30 millones de nucleosomas. El genoma de una levadura haploide tiene unos 5 mm de DNA y 80000 nucleosomas, aproximadamente.

Además de su función estructural, los nucleosomas controlan el acceso de las proteínas reguladoras al DNA, directamente o a través de las modificaciones epigenéticas de las histonas. Esta función reguladora requiere que la posición de los nucleosomas respecto a la secuencia del DNA se especifique con precisión y de ello se encargan los complejos remodeladores de cromatina, los factores de transcripción y la propia secuencia del DNA.

En nuestro laboratorio estamos estudiando como la secuencia del DNA dirige la posición de los nucleosomas en el genoma. Utilizamos como sistemas modelo levaduras de los géneros Schizosaccharomyces y Saccharomyces y aproximaciones bioquímicas, genéticas, genómicas y bioinformáticas. En los últimos años hemos descrito que los 147 nucleótidos del DNA mononucleosomal adoptan una distribución muy bien definida alrededor del octámero de histonas que hemos denominado nucleosomal signatures. A pesar de la gran conservación filogenética de las histonas, las nucleosomal signatures difieren incluso entre especies del mismo género (Quintales et al. 2015) (Figura 1A) lo que plantea la pregunta de cual podría ser su significado biológico.

Mediante aproximaciones genómicas y bioinformáticas hemos demostrado que las nucleosomal signatures contienen información para dirigir el posicionamiento de los nucleosomas a lo largo de los cromosomas in vivo. La manipulación de esa información nos ha permitido diseñar moléculas sintéticas de DNA capaces de posicionar los nucleosomas con una periodicidad idéntica a la del genoma receptor en el que quieran integrarse. También podemos remasterizar genes ajenos a un organismo incorporando su nucleosomal signature mediante el uso de codones sinónimos en el gen ectópico para que adopte la organización nucleosomal del genoma receptor a la vez que continúa expresando la proteína original (González et al. 2016) (Figura 1B).

El diseño de moléculas de DNA capaces de dirigir su propia organización nucleosomal nos permite modificar regiones específicas de la cromatina para estudiar su efecto sobre la regulación transcripcional, la estabilidad del genoma y la distribución de las modificaciones epigenéticas. Estas aproximaciones son relevantes en los campos de la biología sintética y el diseño de genomas y podrían ser de utilidad en la optimización de genes y vectores de expresión de interés biotecnológico. Actualmente estamos explorando esas posibilidades en nuestro laboratorio.

Nucleosomal signatures y organización nucleosomal
A) Nucleosomal signature de los cuatro nucleótidos (adenina, verde; timina, rojo; citosina, azul; guanina, negro) en el DNA mononucleosomal de Schizosaccharomyces pombe, S. octosporus, S. japonicus y Saccharomyces cerevisiae. En el eje y se indica la composición de cada nucleótido y en el eje x la distancia en nucleótidos a partir de la posición central (0) del DNA mononucleosomal. Las elipses representan nucleosomas.
B) Diagrama de las Nucleosomal signatures en genes ortólogos de dos especies diferentes. Se indica el inicio de la transcripción (flechas blancas), la posición de los nucleosomas y las proteínas codificadas por cada uno de los dos genes. Cuando se introduce el gen de la Especie 2 en el genoma de la Especie 1, los nucleosomas adoptan un patrón irregular (nucleosomas no posicionados). Al remasterizar el gen de la Especie 2 incorporando la nucleosomal signature de la Especie 1 mediante el uso de codones sinónimos, los nucleosomas adoptan la organización de la Especie 1 a lo largo del gen, a la vez que se sigue produciendo la proteína original de la Especie 2.