In menselijke chromosomen is DNA bedekt met eiwitten om een buitengewoon lange kralenstreng te vormen. Deze “string” is gevouwen in talloze lussen, waarvan wordt aangenomen dat ze cellen helpen de genexpressie onder controle te houden en DNA-herstel te vergemakkelijken, naast andere functies. Een nieuwe studie van MIT suggereert dat deze lussen erg dynamisch zijn en een kortere levensduur hebben dan eerder werd gedacht.
In de nieuwe studie konden de onderzoekers de beweging van één stuk van het genoom in een levende cel ongeveer twee uur volgen. Ze zagen dat dit stuk slechts 3 tot 6 procent van de tijd volledig werd doorlopen, waarbij de lus slechts ongeveer 10 tot 30 minuten duurde. De bevindingen suggereren dat het huidige begrip van wetenschappers over hoe lussen de genexpressie beïnvloeden, mogelijk moet worden herzien, zeggen de onderzoekers.
“Veel modellen in het veld zijn deze foto’s van statische lussen die deze processen reguleren. Wat ons nieuwe artikel laat zien, is dat dit beeld niet echt klopt”, zegt Anders Sejr Hansen, de Underwood-Prescott Career Development Assistant Professor of Biological Engineering aan het MIT . “We suggereren dat de functionele status van deze domeinen veel dynamischer is.”
Hansen is een van de senior auteurs van de nieuwe studie, samen met Leonid Mirny, een professor in het MIT Institute for Medical Engineering and Science en het Department of Physics, en Christoph Zechner, een groepsleider bij het Max Planck Institute of Molecular Cell Biology en Genetica in Dresden, Duitsland, en het Centrum voor Systeembiologie Dresden. MIT-postdoc Michele Gabriele, Hugo Brandão, een recent doctoraatsstudent aan de Harvard University, en MIT-afgestudeerde student Simon Grosse-Holz zijn de hoofdauteurs van het artikel, dat vandaag in Science verschijnt.
Uit de lus
Met behulp van computersimulaties en experimentele gegevens hebben wetenschappers, waaronder Mirny’s groep aan het MIT, aangetoond dat lussen in het genoom worden gevormd door een proces dat extrusie wordt genoemd, waarbij een moleculaire motor de groei van steeds grotere lussen bevordert. De motor stopt telkens wanneer hij een “stopteken” op DNA tegenkomt. De motor die dergelijke lussen extrudeert, is een eiwitcomplex dat cohesine wordt genoemd, terwijl het DNA-gebonden eiwit CTCF als stopteken dient. Deze cohesine-gemedieerde lussen tussen CTCF-sites werden gezien in eerdere experimenten.
advertentie
Die experimenten boden echter slechts een momentopname van een moment in de tijd, zonder informatie over hoe de lussen in de loop van de tijd veranderen. In hun nieuwe studie ontwikkelden de onderzoekers technieken waarmee ze CTCF-DNA-sites fluorescent konden labelen, zodat ze de DNA-lussen gedurende enkele uren konden afbeelden. Ze creëerden ook een nieuwe rekenmethode die de lusgebeurtenissen uit de beeldgegevens kan afleiden.
“Deze methode was cruciaal voor ons om signaal van ruis te onderscheiden in onze experimentele gegevens en looping te kwantificeren”, zegt Zechner. “Wij zijn van mening dat dergelijke benaderingen steeds belangrijker zullen worden voor de biologie naarmate we de detectielimieten blijven verleggen met experimenten.”
De onderzoekers gebruikten hun methode om een stuk van het genoom in embryonale stamcellen van muizen in beeld te brengen. “Als we onze gegevens in de context van één celdelingscyclus plaatsen, die ongeveer 12 uur duurt, bestaat de volledig gevormde lus eigenlijk maar ongeveer 20 tot 45 minuten, of ongeveer 3 tot 6 procent van de tijd”, zegt Grosse-Holz. .
“Als de lus slechts gedurende zo’n kleine periode van de celcyclus aanwezig is en van zeer korte duur is, moeten we deze toestand met volledige lus niet beschouwen als de primaire regulator van genexpressie”, zegt Hansen. “We denken dat we nieuwe modellen nodig hebben voor hoe de 3D-structuur van het genoom genexpressie, DNA-reparatie en andere functionele stroomafwaartse processen reguleert.”
Hoewel volledig gevormde lussen zeldzaam waren, ontdekten de onderzoekers dat gedeeltelijk geëxtrudeerde lussen ongeveer 92 procent van de tijd aanwezig waren. Deze kleinere lussen waren moeilijk waar te nemen met de eerdere methoden voor het detecteren van lussen in het genoom.
advertentie
“In deze studie hebben we, door onze experimentele gegevens te integreren met polymeersimulaties, nu de relatieve omvang van de niet-geluste, gedeeltelijk geëxtrudeerde en volledig geluste toestanden kunnen kwantificeren”, zegt Brandão.
“Omdat deze interacties erg kort zijn, maar zeer frequent, waren de vorige methodologieën niet in staat om hun dynamiek volledig vast te leggen”, voegt Gabriele toe. “Met onze nieuwe techniek kunnen we beginnen met het oplossen van overgangen tussen volledig lus- en niet-lustoestanden.”
De onderzoekers veronderstellen dat deze gedeeltelijke lussen een belangrijkere rol kunnen spelen bij genregulatie dan volledig gevormde lussen. DNA-strengen lopen langs elkaar als lussen beginnen te vormen en vervolgens uit elkaar vallen, en deze interacties kunnen regulerende elementen zoals versterkers en genpromotors helpen elkaar te vinden.
“Meer dan 90 procent van de tijd zijn er enkele tijdelijke lussen, en vermoedelijk is het belangrijk om die lussen te hebben die voortdurend worden geëxtrudeerd”, zegt Mirny. “Het extrusieproces zelf kan belangrijker zijn dan de volledig geluste toestand die slechts voor een korte periode optreedt.”
Meer lussen om te bestuderen
Aangezien de meeste andere lussen in het genoom zwakker zijn dan degene die de onderzoekers in dit artikel hebben bestudeerd, vermoeden ze dat veel andere lussen ook zeer voorbijgaand zullen blijken te zijn. Ze zijn nu van plan om met hun nieuwe techniek enkele van die andere lussen te bestuderen, in verschillende celtypen.
“Er zijn ongeveer 10.000 van deze lussen en we hebben er een bekeken”, zegt Hansen. “We hebben veel indirect bewijs dat suggereert dat de resultaten generaliseerbaar zouden zijn, maar we hebben dat niet aangetoond. Met behulp van het technologieplatform dat we hebben opgezet, dat nieuwe experimentele en computationele methoden combineert, kunnen we andere loops gaan benaderen in het genoom.”
De onderzoekers zijn ook van plan om de rol van specifieke lussen bij ziekten te onderzoeken. Veel ziekten, waaronder een neurologische ontwikkelingsstoornis genaamd FOXG1-syndroom, kunnen worden gekoppeld aan een defecte lusdynamiek. De onderzoekers bestuderen nu hoe zowel de normale als de gemuteerde vorm van het FOXG1-gen, evenals het kankerverwekkende gen MYC, worden beïnvloed door genoomlusvorming.
Het onderzoek werd gefinancierd door de National Institutes of Health, de National Science Foundation, de Mathers Foundation, een Pew-Stewart Cancer Research Scholar-beurs, de Chaires d’excellence Internationale Blaise Pascal, een American-Italian Cancer Foundation-onderzoeksbeurs en de Max Planck Instituut voor Moleculaire Celbiologie en Genetica.
lees het gehele artikel bij de bron
————————————————– ———————————–
samenvatting:
Wetenschappers ontdekken dat lussen in het genoom veel zeldzamer en korter duren dan eerder werd gedacht, en slechts tientallen minuten duren, wat suggereert dat de huidige theorieën over hoe lussen de genexpressie beïnvloeden, mogelijk moeten worden herzien.
Datum van publicatie: 16 april 2022
Bron: Klimaat | Top milieunieuws — ScienceDaily
————————————————– ———————————–