La relación entre el tamaño del núcleo y el de la célula se conoce desde hace más de un siglo, pero su mecanismo seguía sin aclararse. Trabajos vecinos en el archivo estudian cómo los motores de la célula fijan el tamaño de las gotas, cómo la curvatura dicta el tamaño en la mecánica celeste de las células, cómo el tamaño y la compresión desencadenan la división asimétrica, y también cómo la forma del núcleo altera su tamaño. Este trabajo va por libre: comprueba directamente la hipótesis del equilibrio osmótico, mientras que los vecinos se centran en fuerzas mecánicas y geometría.
En levaduras S. cerevisiae se indujo un nivel alto de expresión de la proteína fluorescente 3xFP, bien con señal de localización nuclear (3xFP-NLS), bien con señal de exportación nuclear (3xFP-NES). A las 6 horas se midieron los volúmenes de la célula y del núcleo por microscopía. Para separar los efectos del volumen excluido y de la presión osmótica, se varió el tamaño de las macromoléculas citoplasmáticas en extracto de huevos de Xenopus manteniendo constante la masa de proteína. Además, se utilizó la exportación optogenética de proteína desde el núcleo en células HeLa.
La expresión de 3xFP-NLS aumentó el volumen del núcleo en 7.7 veces y elevó la N/C ratio del 6.3% al 18.8%. La expresión de 3xFP-NES redujo la N/C ratio del 5.3% al 3.2% y provocó la deformación del núcleo. En el extracto de huevos, sustituir los complejos grandes por BSA de la misma masa redujo el tamaño de los núcleos, lo que confirmó el papel del número de partículas y no de su masa. El modelo estimó en unos 7.2–20.4 millones el número de coloides osmóticamente activos en la célula, cifra cercana a los datos proteómicos. El cambio de la N/C ratio modificó la densidad de masa seca del núcleo y del citoplasma, y además provocó una redistribución de la ARN polimerasa II: al aumentar el núcleo se activaron genes poco expresados (incluidos los subteloméricos y los retrotransposones), mientras que al comprimirse se intensificó la expresión de genes muy activos. La compresión nuclear en células agrandadas revirtió los cambios del transcriptoma.
El trabajo muestra por primera vez de forma directa que la presión osmótica de las proteínas basta para establecer la N/C ratio, y explica la relación universal entre el tamaño del núcleo y el de la célula. A diferencia de los estudios vecinos, que consideran fuerzas mecánicas o geometría, aquí se cuantifica la contribución de la presión coloidosmótica en concreto, y además se demuestra que los cambios en el tamaño del núcleo por sí solos provocan una reorganización del transcriptoma similar a la observada en el envejecimiento celular.
El tema puede avanzar hacia el estudio de cómo los cambios en la presión osmótica y en la separación de fases de la cromatina regulan la accesibilidad de los genes en condiciones normales y patológicas. Es posible comprobar el papel del tamaño nuclear en la diferenciación de las células madre y en los procesos de envejecimiento.
Los resultados influirán en la biología celular, la biofísica del núcleo, la investigación del envejecimiento y del cáncer, así como en la comprensión de la regulación de la transcripción a través de los parámetros físicos de la célula.
Los siguientes pasos incluyen determinar cómo influye exactamente la presión osmótica en la separación de fases de la cromatina y en la accesibilidad de los promotores, y también comprobar la conservación del mecanismo en células de mamífero in vivo.
El trabajo vincula el problema del control del tamaño del núcleo con viejas preguntas sobre los mecanismos del silenciamiento génico, la activación de retrotransposones durante el envejecimiento y la coordinación del crecimiento celular con la división. Ofrece una base física para entender cómo los cambios en la arquitectura nuclear durante el envejecimiento y la diferenciación pueden influir directamente en la expresión génica.
La concentración de macromoléculas osmóticamente activas en la célula es de solo unos 0.24–0.68 mM, cientos de veces menor que la de las moléculas pequeñas, pero basta para determinar el tamaño del núcleo.
No publicado en arXiv. Aquí están su página, el PDF y la formalización: puede comprobarlo usted mismo, no solo leer nuestro análisis.