You are here

    • You are here:
    • Home > Unravelling the three-dimensional genomic structure of male germ cells

Unravelling the three-dimensional genomic structure of male germ cells

NEWS

10
Jul
Wed, 10/07/2019 - 16:14

Unravelling the three-dimensional genomic structure of male germ cells

A study led by scientists at the National Centre for Genomic Analysis (CNAG-CRG), the Centre for Genomic Regulation (CRG) and the Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) reveals the three-dimensional genomic structure of male germ cells and how this structure determines their function

EN ESPAÑOL / EN CATALÀ

  •  A study led by scientists at the National Centre for Genomic Analysis (CNAG-CRG), the Centre for Genomic Regulation (CRG) and the Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) reveals the three-dimensional genomic structure of male germ cells and how this structure determines their function
  • The study, published in the journal Cell Reports, represents a significant advance in our understanding of how the dynamics of insulator proteins and transcriptional activity are coupled during the 3D genome re-organisation that takes place during the formation of male germ cells

The code of life (genome) is not just a linear sequence of letters, but is also folded (compartmentalised) into a specifically tailored chromatin structure within the cell nuclei. This three-dimensional genomic structure is fundamental, given that it determines which genes “switched on” and which are “switched off” in each cell types.

A new study led by scientists from the UAB and the CNAG-CRG and published in Cell Reports reveals the three-dimensional genomic structure of male germ cells. The study, carried out on mice, shows that this structure is extremely dynamic during the formation of germ cells (gamete precursor cells). Moreover, the study revealed a fine-tuned balance between chromatin remodelling, architectural proteins such as cohesins and gene expression during this process.

All sexually reproducing organisms form haploid gametes (oocytes and sperm) – each cell type carrying only one copy of each chromosome - through two consecutive cell divisions preceded by one round of genome replication. This process is known as meiosis and implies that the genome must be packaged and unpackaged in a precise and highly regulated manner.

“This study has been possible only thanks to the combination of complementary techniques in biology such as molecular genetics, microscope imaging and computer simulations. It truly is a multidisciplinary project”, explains Marc A. Marti-Renom, ICREA researcher and head of the Structural Genomics Group at the CNAG-CRG and co-leader of the study.

“Our work shows the dynamics of chromatin remodelling during the formation of male gametes, by comparing changes in chromatin folding and gene transcription at different moments throughout male meiosis", says coordinator of the study Aurora Ruiz-Herrera, researcher at the Department of Cell Biology, Physiology and Immunology of the Institute of Biotechnology and Biomedicine (IBB) at the UAB, where she leads the research group in Animal Genomics. “We have thus demonstrated the existence of different degrees of genome folding and how these different levels of genome organization are related to structural proteins such as cohesins and gene expression. The results will pave the way for new investigations into the molecular mechanisms regulating these changes.”

The project represents a significant advance in the study of the mechanisms generating and regulating the 3D structure and function of the genome during the formation of gametes. Determining these mechanisms is fundamental, given that the deregulation of this process can lead to diseases such as infertility and chromosome alterations like trisomy 21.

According to scientists, the research also represents an example of the importance of synergy among specialists from different fields such as molecular and cell biology, genomics and bioinformatics in advancing in our knowledge of the regulation and structure of the genome. Participating in the study were seven research teams, including the UAB, the CNAG-CRG, the CSIC-University of Salamanca, the Sequentia Biotech and the University of New South Wales in Sydney.

The study has received funding from the Ministry for Economics, Industry and Competitiveness, the Government of Catalonia (AGAUR), the Institute of Health Carlos III, the Government of Castilla y León, the European Research Council (ERC) and the Horizon 2020 Programme.


EN ESPAÑOL

Desvelan la organización 3D del genoma en las células germinales masculinas

  • Un estudio liderado por científicos del Centro Nacional de Análisis Genómico (CNAG-CRG) del Centro de Regulación Genómica (CRG) y de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) desvela la organización tridimensional del genoma en las células germinales masculinas y cómo dicha organización determina su función.
  • El trabajo, publicado en la revista Cell Reports, representa un importante avance en la comprensión de la regulación génica en la formación y maduración de los gametos.

El código de la vida (genoma) no es sólo una lineal secuencia de letras, sino que se encuentra organizado (empaquetado) en una estructura denominada cromatina dentro de las células. Esta organización tridimensional del genoma es fundamental, ya que determina qué genes se “encienden” y cuáles se “apagan” en cada tipo celular.

Un nuevo estudio liderado por científicos de la UAB y del CNAG-CRG y publicado en Cell Reports ha desvelado la organización tridimensional del genoma en células germinales masculinas. El trabajo, realizado en ratones, muestra que dicha organización es extremadamente dinámica durante la formación de las células germinales (precursoras de los gametos) y que este dinamismo está acoplado con la regulación de la expresión génica y la localización de proteínas estructurales como son las cohesinas.

Todos los organismos con reproducción sexual generan gametos (óvulos y espermatozoides) haploides -con un solo juego de cromosomas- mediante dos divisiones celulares consecutivas precedidas de una sola ronda de replicación del genoma. Este proceso se denomina meiosis e implica que el genoma tiene que empaquetarse y desempaquetarse de forma precisa y altamente regulada durante estos dos procesos de división celular.

“Este estudio ha sido solo posible con la combinación de técnicas complementarias en biología como son la genética molecular, la imagen por microscopía y las simulaciones computacionales. Verdaderamente, un trabajo multidisciplinar”, explica Marc A. Marti-Renom, investigador ICREA y jefe del grupo de Genómica Estructural del CNAG-CRG y co-líder del trabajo.

“Nuestro trabajo muestra la dinámica de la organización del genoma durante la formación de gametos masculinos, comparando los cambios de empaquetamiento de la cromatina y su asociación con la transcripción génica a lo largo de la meiosis” explica la coordinadora del estudio, Aurora Ruiz-Herrera, investigadora del Departamento de Biología Celular, Fisiología e Inmunología y del Instituto de Biotecnología y Biomedicina (IBB) de la UAB, donde dirige el grupo de investigación en Genómica Animal. “Así, hemos demostrado la existencia de diferentes grados de empaquetamiento del genoma y su relación con las cohesinas, y cómo este proceso determina, en última instancia, la función de las células germinales masculinas. Los resultados abren nuevas vías de investigación sobre los mecanismos moleculares que regulan estos cambios”.

El trabajo supone un avance significativo en el estudio de los mecanismos que generan y regulan la estructura y función del genoma durante la formación de los gametos -óvulos y espermatozoides-. Determinar estos mecanismos es fundamental, ya que la desregulación de este proceso puede provocar enfermedades como la infertilidad y la alteración del número de cromosomas, como por ejemplo la trisomía 21.

La investigación también representa un ejemplo de cuán importante es la sinergia de especialistas en diferentes áreas como la biología celular y molecular, la genómica y la bioinformática para avanzar en nuestro conocimiento de la regulación y estructura del genoma, señalan los científicos. En el estudio han participado 7 equipos de investigación, incluyendo la UAB, CNAG-CRG, CSIC-Universidad de Salamanca, Sequentia Biotech y la University of New South Wales de Sydney (Australia).

El estudio ha sido financiado por el Ministerio de Economía, Industria y Competitividad, la Generalitat de Catalunya (AGAUR), el Instituto de Salud Carlos III, la Junta de Castilla y León, el Consejo Europeo de Investigación (ERC) y el Programa Horizonte 2020.


EN CATALÀ

Desvelen l'organització 3D del genoma en les cèl·lules germinals masculines

  • Un estudi liderat per científics  del Centre Nacional d'Anàlisi Genòmica (CNAG-CRG) del Centre de Regulació Genòmica (CRG) i de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) desvela l'organització tridimensional del genoma en les cèl·lules germinals masculines i com aquesta organització determina la seva funció.
  • El treball, publicat en la revista Cell Reports, representa un important avenç en la comprensió de la regulació gènica en la formació i maduració dels gàmetes.

El codi de la vida (genoma) no és només una lineal seqüència de lletres, sinó que es troba organitzat (empaquetat) en una estructura denominada cromatina dins de les cèl·lules. Aquesta organització tridimensional del genoma és fonamental, ja que determina quins gens s’“encenen” i quins s’“apaguen” en cada tipus cel·lular.

Un nou estudi liderat per científics de la UAB i del CNAG-CRG i publicat en Cell Reports ha revelat l'organització tridimensional del genoma en cèl·lules germinals masculines. El treball, realitzat en ratolins, mostra que aquesta organització és extremadament dinàmica durant la formació de les cèl·lules germinals (precursores dels gàmetes) i que aquest dinamisme està acoblat amb la regulació de l'expressió gènica i la localització de proteïnes estructurals com són les cohesines.

Tots els organismes amb reproducció sexual generen gàmetes (òvuls i espermatozoides) haploides -amb un sol joc de cromosomes- mitjançant dues divisions cel·lulars consecutives precedides d'una sola ronda de replicació del genoma. Aquest procés es denomina meiosi i implica que el genoma ha d'empaquetar-se i desempaquetar-se de forma precisa i altament regulada durant aquests dos processos de divisió cel·lular.

“Aquest estudi ha estat possible només amb la combinació de tècniques complementàries en biologia com són la genètica molecular, la imatge per microscòpia i les simulacions computacionals. Veritablement, un treball multidisciplinari”, explica Marc A. Marti-Renom, investigador ICREA i cap del grup de Genòmica Estructural del CNAG-CRG i colíder del treball.

“El nostre treball mostra la dinàmica de l'organització del genoma durant la formació de gàmetes masculins, comparant els canvis d’empaquetament de la cromatina i la seva associació amb la transcripció gènica al llarg de la meiosi”, explica la coordinadora de l'estudi, Aurora Ruiz-Herrera, investigadora del Departament de Biologia Cel·lular, Fisiologia i Immunologia i de l'Institut de Biotecnologia i Biomedicina (IBB) de la UAB, on dirigeix el grup de recerca en Genòmica Animal. “Així, hem demostrat l'existència de diferents graus d'empaquetament del genoma i la seva relació amb les cohesines. Y com aquest procés determina, en última instància, la funció de les cèl·lules germinals masculines. Els resultats obren noves vies de recerca sobre els mecanismes moleculars que regulen aquests canvis”.

El treball suposa un avenç significatiu en l'estudi dels mecanismes que generen i regulen l'estructura i funció del genoma durant la formació dels gàmetes -òvuls i espermatozoides-. Determinar aquests mecanismes és fonamental, ja que la desregulació d'aquest procés pot provocar malalties com la infertilitat i l'alteració del nombre de cromosomes, com per exemple la trisomia 21.

La recerca representa també un exemple de com d’ important és la sinergia d'especialistes en diferents àrees com la biologia cel·lular i molecular, la genòmica i la bioinformàtica per avançar en el nostre coneixement de la regulació i estructura del genoma, assenyalen els científics. En l'estudi han participat 7 equips de recerca, incloent la UAB, el CNAG-CRG, el CSIC-Universitat de Salamanca, Sequentia Biotech i la University of New South Wales de Sydney (Austràlia).

L'estudi forma part de la tesi doctoral que duu a terme Covadonga Vara a l’IBB-UAB sota la direcció d'Aurora Ruiz-Herrera. Ha estat finançat pel Ministeri d'Economia, Indústria i Competitivitat, la Generalitat de Catalunya (AGAUR), l'Institut de Salut Carles III, la Junta de Castella i Lleó, el Consell Europeu de Recerca (ERC) i el Programa Horitzó 2020.

Imágenes: Célula germinal (espermatocito) de ratón en 3D obtenida utilizando un microscopio de fluorescencia en la que se muestran los ejes proteicos de los cromosomas (verde) y el ADN (azul). El área teñida en rojo muestra la localización de los cromosomas sexuales (X e Y), los cuales tienden a posicionarse en la periferia del núcleo de la célula. La barra indica la medida de 10 micras. Autora: Covadonga Vara, UAB.