Chromatin dynamics and cell proliferation during development

Article published in April 2017

DOI: http://dx.doi.org/10.18567/sebbmdiv_ANC.2017.04.1

Crisanto Gutiérrez

Centro de Biología Molecular Severo Ochoa (CSIC-UAM), Nicolás Cabrera 1, Cantoblanco, 28049 Madrid

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Organogenesis requires a strict coordination between cell proliferation and differentiation that involves changes in the transcriptome and the epigenome. Gene expression is also coordinated with the genome replication pattern and both with chromatin modifications. Therefore, it is crucial to understand these connections in the context of organ development.

 

Hace poco más de 25 años que la investigación sobre el ciclo celular fue testigo del descubrimiento de las kinasas dependientes de ciclinas (CDKs) como reguladores primordiales del ciclo celular en animales, plantas y hongos. En los años posteriores se ha identificado la enorme complejidad de los circuitos que regulan el ciclo celular y sus vías de señalización. El desarrollo y el crecimiento de los organismos multicelulares depende muy estrechamente de la coordinación de la proliferación con señales de desarrollo y con la diferenciación celular. Por ello, uno de los grandes retos actuales es entender los mecanismos de control de la proliferación celular más allá del nivel celular, e integrarlos a nivel de un organismo en crecimiento.

Estos estudios integrativos requieren modelos experimentales apropiados y existen múltiples razones que justifican que las plantas son muy adecuadas para ello [1]. Razones conceptuales como que el desarrollo de las plantas es post-embrionario, a diferencia del de los animales, por lo que la capacidad de proliferación se mantiene durante toda la vida del individuo. En segundo lugar, las plantas poseen una gran plasticidad de manera que mutaciones en muchos genes que participan en procesos celulares básicos son compatibles con el desarrollo, permitiendo su estudio en el adulto. Por último, el control del crecimiento de los órganos de una planta (raíces, hojas, flores) es fundamental para mejorar la producción vegetal, algo cada vez más necesario. Hay razones experimentales también ya que se pueden usar estrategias de biología celular, molecular, bioquímica, genética y genómica, entre otras.

En plantas, los reguladores del ciclo celular participan además en la replicación del genoma y su reparación, la salida a diferenciación, la dinámica de la cromatina, la adquisición de destinos celulares, las divisiones asimétricas, la inmunidad innata, el ciclo circadiano, las respuestas a los cambios ambientales, entre otros (Figura 1). La capacidad de las células vegetales para desdiferenciarse y reprogramarse para tomar otros destinos celulares es enorme. De hecho, pueden regenerarse nuevos órganos, plantas completas o incluso embriones somáticos (Figura 1).

Nuestro grupo utiliza la planta modelo Arabidopsis thaliana para estudiar el control de la proliferación celular en el contexto del desarrollo con especial énfasis en el control de la replicación del genoma y la dinámica de la cromatina. En la planta completa existen localizaciones de células con cierta capacidad progenitora, que son fundamentales para la organogénesis. Un ejemplo son las células del periciclo, una capa celular de la raíz, que forman los primordios de las raíces laterales de manera continua a medida que crece la raíz principal. Nuestro grupo ha identificado factores de transcripción de la familia MYB que controlan el potencial de división de las iniciales de las raíces laterales definiendo su grosor [2].

Las transiciones en el ciclo celular están asociadas a cambios en diversas marcas de la cromatina, principalmente acetilaciones, metilaciones y fosforilaciones de varias histonas (Figura 1). Hemos podido simplificar la enorme complejidad de combinaciones posibles de estas marcas mediante la definición de estados de cromatina caracterizados por su firma epigenética [3]. La replicación del genoma depende de la activación de miles de orígenes de replicación (ORIs). Aunque se ha avanzado en el conocimiento de las características generales de los ORIs en células en cultivo de Arabidopsis [4], aún no se conoce en detalle qué combinación (o combinaciones) de marcas definen como ORI una cierta región del genoma en el organismo completo [5]. Esto supone un gran reto experimental que estamos abordando en el laboratorio y que permitirá abrir muchas posibilidades de estudio, en particular el uso de mutantes y el análisis de la respuesta de la replicación del genoma a los cambios ambientales y durante el desarrollo. En plantas es frecuente que antes de iniciar el proceso de diferenciación celular, las células inicien una fase de endoreplicación en la que duplican su material genético sin existir división celular y que conduce a un aumento de la ploidía nuclear (Figura 1). En esta fase de inicio de la diferenciación celular se requiere nueva activación de ORIs y, posiblemente, modificaciones en la cromatina, asociadas a cambios en el transcriptoma. No conocemos los mecanismos de la especificación de ORIs durante el endociclo y si es diferente con respecto al ciclo celular normal.

Dado que en cada ciclo toda la cromatina debe duplicarse, existe una compleja fase de deposición de histonas durante la replicación. Nuestro grupo ha estudiado la dinámica de incorporación de histona H3 durante el desarrollo de órganos [6] y ha podido identificar una población celular única que se encuentra desarrollando su último ciclo celular antes de iniciar la diferenciación [7].

En resumen, nuestro trabajo pretende entender la coordinación entre el transcriptoma, el epigenoma y el origenoma que es fundamental para el desarrollo de los organismos.



 

 Figura Crisanto Gutiérrez

 Figura. Cromatina y proliferación celular durante el desarrollo (Arabidopsis).

 

REFERENCES

1. Gutierrez C. 25 years of cell cycle research: what's ahead? Trends Plant Sci 21: 823-833 (2016).
2. Fernandez-Marcos M, et al. control of Arabidopsis lateral root primordium boundaries by MYB36. New Phytol 213:105-112 (2017).
3. Sequeira-Mendes J, et al. The functional topography of the Arabidopsis genome is organized in a reduced number of linear motifs of chromatin states. Plant Cell 26:2351-2366 (2014).
4. Costas C, et al: Genome-wide mapping of Arabidopsis thaliana origins of DNA replication and their associated epigenetic marks. Nature Struct Mol Biol 18:395-400 (2011).
5. Gutierrez C, Desvoyes B, Vergara Z, Otero S, Sequeira-Mendes J: Links of genome replication, transcriptional silencing and chromatin dynamics. Curr Opin Plant Biol 34:92-99 (2016).
6. Stroud H, et al.Genome-wide analysis of histone H3.1 and H3.3 variants in Arabidopsis thaliana. Proc Natl Acad Sci U S A 109:5370-5375 (2012).
7. Otero S, et al. Histone H3 dynamics uncovers domains with distinct proliferation potential in the Arabidopsis root. Plant Cell 28:1361-1371 (2016).

 

 

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Interview

Crisanto Gutiérrez
Centro de Biología Molecular Severo Ochoa (CSIC-UAM), Nicolás Cabrera 1, Cantoblanco, 28049 Madrid

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P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica? ¿Le influyó alguien de forma especial?

R.- Siempre es difícil indicar una fecha o un hecho concreto que defina una vocación. Al menos en mi caso fue más bien una combinación del ambiente familiar (mi padre, Dr. en Medicina y Dr. en Química, dejó la práctica médica por hacer investigación en el CSIC) y, como suele ocurrir, la influencia de algunos profesores especialmente de la carrera. Entre éstos, recuerdo las charlas y consejos del Dr. Jorge F. López-Sáez desde la licenciatura y más tarde durante la tesis doctoral, y el estilo innovador del Dr. Enrique Cerdá Olmedo, fueron ciertamente clave en mi trayectoria inicial. En todo caso, creo que también hay siempre algo que depende de la propia persona. Desde pequeño solía ser muy observador, constante y tenaz en cualquier actividad a la que me dedicara, y me divertía con la recolección y observación de animales en el campo, la realización de un herbario, el dibujo y el diseño (consideré hacer arquitectura) o pasar noches enteras observando el cielo y calculando las posiciones de los planetas, sus satélites o las galaxias.

P.- ¿Podría resumirnos brevemente su trayectoria profesional? ¿La repetiría en su totalidad?

R.- Nada más obtener la licenciatura en Ciencias (Biológicas) en 1977, me trasladé al Centro de Investigaciones Biológicas (CIB) en Madrid para realizar la Tesis Doctoral. En 1982 obtuve una plaza de Profesor Titular de Biología Celular en la Universidad de Alcalá de Henares, una atractiva experiencia en ese momento. Unos años más tarde, pedí la excedencia para marchar al Department of BiologicalChemistry (Harvard Medical School) en Boston y posteriormente al Roche Institute of Molecular Biology para estudiar la replicación del DNA en el modelo del oncovirus SV40. En 1990 realicé una estancia de unos meses en el ETH Cell Biology de Zürich con José Manuel Sogo para aprender el análisis de macromoléculas al microscopio electrónico, y me incorporé al laboratorio de la Dra. Margarita Salas como Científico Titular, en el Centro de Biología Molecular Severo Ochoa (CBM) para estudiar las interacciones DNA-proteína en el fago 29. En 1993 iniciamos una nueva línea en el CBM para entender los mecanismos de replicación de geminivirus, un grupo de virus que infecta plantas y poseen una gran cantidad de similitudes con los oncovirus humanos en cuanto a su relación con la célula infectada. Desde esa fecha nuestro grupo desarrolla su actividad en el CBM que ha evolucionado hasta nuestro interés actual en el control de la proliferación, la diferenciación y la dinámica de la cromatina durante el desarrollo. Me gustaría destacar que la variedad de temas de investigación y abordajes experimentales ha sido enormemente útil durante mi carrera, y creo aconsejable para todo investigador. Sin duda volvería a repetirla, aunque es cierto que dada la lamentable situación actual del apoyo a la investigación quizás las decisiones para establecer una línea de investigación competitiva serían otras.

P.- ¿Qué consejo daría a los que ahora inician su carrera científica?

R.- Es siempre difícil y arriesgado dar consejos generales ya que las situaciones individuales son muy diferentes. En primer lugar, es necesario un convencimiento absoluto de lo que se quiere hacer sabiendo que se trata de un camino complicado, aunque pueda ser enormemente gratificante. Es necesario una gran dosis de aventura, de vivir el camino más que de pensar solamente en la meta, de disfrutar con la actividad de cada día, con metas parciales que sean alcanzables y que permitan ir avanzando y realizarse a nivel personal y profesional. En este sentido creo que es importante, al menos para mí lo ha sido, evolucionar en cuanto a intereses y abordajes experimentales a lo largo de la carrera. Asimismo, es cada día más importante adquirir una formación amplia que permita una visión de conjunto y aporte versatilidad y multidisciplinariedad en el desarrollo de la investigación. En cuanto al desarrollo de una carrera investigadora es importante también considerar las posibilidades que se ofrecen en múltiples entornos, desde luego dejar de pensar que se va a encontrar un puesto atractivo profesional y económicamente en el mismo entorno donde se empezó la carrera. Si alguien elige realizar una carrera científica, ya sea en la academia o en otro ámbito, debe estar dispuesto hoy a una gran movilidad geográfica.

P.- ¿Podría describirnos brevemente en que consiste su línea de investigación actual y cuál es su trascendencia?

R.- Nuestro grupo ha evolucionado en los últimos años hacia el estudio de la integración de la dinámica de la cromatina y la proliferación celular durante el desarrollo utilizando como modelo la planta Arabidopsis thaliana. Y nuestro abordaje experimental tiende a ser lo más integrador posible cubriendo desde la biología celular y molecular a la genética y la genómica. En concreto desarrollamos proyectos relacionados con la replicación del genoma y la implicación de los factores de replicación en el mantenimiento de marcas epigenéticas, la dinámica celular durante el desarrollo de los órganos de la planta y la identificación de factores de transcripción que integran las señales de desarrollo, hormonales o de desarrollo para controlar la proliferación celular. Se trata de un área muy dinámica ya que varios modelos de plantas permiten hoy en día abordajes multidisciplinares, eso sin mencionar las grandes implicaciones que tiene el saber controlar el crecimiento de las plantas y sus respuestas al ambiente para mejorar la producción de las cosechas.

P.- ¿Cuál es su opinión sobre cómo está articulada la carrera científica en España?

R.- Mi opinión sobre este asunto es realmente pesimista ya que, en realidad, en muy pocas circunstancias o lugares se puede decir que exista un claro enfoque para articular una carrera científica en nuestro país. Es triste decirlo, pero creo que reconocerlo así de claro es lo más honrado especialmente después de conocer los sistemas de investigación de varios países. Existe una gran cantidad de graduados, muchos bien preparados, que desean hacer una carrera investigadora, que tienen aptitudes para ello y que en los primeros estadios entienden claramente que el camino a seguir pasa por obtener un doctorado y hacer un buen postdoctorado. Sin embargo, a partir de ahí la incorporación al sistema depende de una gran cantidad de variables que hacen poco realista hablar de carrera científica. Por otra parte, el nivel de endogamia es altísimo y ciertamente muy perjudicial para el sistema. El porcentaje de investigadores que trabajan en el mismo grupo o departamento universitario en el que realizaron su tesis doctoral, y en muchos casos casi sobre el mismo tema, es muy elevado. Esto, que está muy favorecido por el actual sistema, junto con el inadecuado sistema laboral aplicado a la investigación, son factores muy perjudiciales.
Se habla mucho de que la situación actual está provocando que se pierda una generación de investigadores, pero que se pierda para España ya que muchos de ellos se están estableciendo en otros países cuyas universidades, centros de investigación o empresas de todo tipo se están aprovechando de la ineficacia de nuestro sistema y del bajo interés real de nuestros gobernantes por la ciencia. Pero la generación inmediatamente anterior ha sido más bien una generación engañada, o frustrada en muchos casos, ya que si bien hace unos años ya se impulsaron muchos cambios que beneficiaron al sistema permitiendo un crecimiento importante, en los últimos años el esfuerzo ha dejado de aumentar proporcionalmente provocando un colapso del que nos costará mucho salir. Una prueba es que los países fuertes de nuestro entorno han mantenido y aumentado su apoyo a la investigación durante la crisis económica mundial en la que aún estamos inmersos mientras que en España se ha reducido considerablemente.

P.- ¿Qué camino queda por recorrer en Ciencia e Innovación en nuestro país?

R.- Aunque hay algunas pocas unidades y centros de investigación con un nivel muy alto, indudablemente queda mucho por recorrer ya que es necesario un cambio radical a varios niveles. En primer lugar, sería necesario que nuestros gobernantes se convencieran de la necesidad y la importancia de tener un sistema de investigación potente, serio y competitivo a nivel internacional. Eso no ocurre en estos momentos, especialmente si nos comparamos con los países serios a nivel científico donde además del reconocimiento social de la investigación es muy alto, una percepción que también está aumentando aquí, se recibe un apoyo decidido a la investigación. Dicho convencimiento implica la toma de decisiones que van mucho más allá de una legislatura, y que implican un cambio radical de nuestro modelo productivo. España, desgraciadamente, no tiene esta tradición que en otros países sí existe. Además, es necesario aumentar la inversión, y no necesariamente buscando un retorno inmediato, como es la tendencia general, en infraestructuras y centros, en personal y en proyectos de investigación. Pero no todo es un aumento en el presupuesto. Se necesita que el marco administrativo y legal en el que se mueva la actividad investigadora se adapte a la dinámica global, y el nuestro está a años luz de parecerse a eso. El desarrollo científico es, por definición, descubrir nuevos procesos que nos permitan entender la naturaleza y, por tanto, en muchas ocasiones no puede ser finalista ni estar previsto en un marco temporal corto. Si se conoce qué se va a hacer y qué se espera encontrar en cada fase de un proyecto, eso no es ni ciencia ni innovación, son prácticas de laboratorio. Sin todos estos cambios, y posiblemente algunos factores más, nuestra posición será cada día menos competitiva. Esto es lamentable ya que disponemos del potencial humano, de calidad y de recursos para mejorar si se tomaran las decisiones políticas adecuadas para ello.

 

Biography

Crisanto Gutiérrez
Centro de Biología Molecular Severo Ochoa (CSIC-UAM), Nicolás Cabrera 1, Cantoblanco, 28049 Madrid
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Crisanto Gutiérrez es Profesor de Investigación del CSIC. Tras obtener el doctorado (1980) ha ocupado puestos de Profesor Titular en la Universidad de Alcalá de Henares (1982-1986) y Research Fellow en Harvard Medical School y Roche Institute of Molecular Biology (USA; 1986-1990) y ETH Cell Biology (Suiza; 1990) antes de incorporarse al Centro de Biología Molecular Severo Ochoa como Científico Titular del CSIC. Su grupo es líder internacional en el estudio de la proliferación celular, la replicación del genoma y la dinámica de la cromatina durante el desarrollo en la planta modelo Arabidopsis thaliana, habiendo realizado contribuciones clave sobre la función de homólogos de supresores tumorales (retinoblastoma) en plantas, reguladores de ciclo celular en la diferenciación y la relevancia de las marcas epigenéticas en la replicación del genoma. Es miembro electo de la European Molecular Biology Organization (1989), y de los comités editoriales de EMBO J., EMBO Rep. y Plant J.

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