Een moleculaire "motor" die het genoom in verschillende buurten organiseert door DNA-lussen te vormen, is gekarakteriseerd door onderzoekers van het MIT en het Pasteur Instituut in Frankrijk.

In een studie gepubliceerd in 2016, een team onder leiding van Leonid Mirny, een professor in de natuurkunde aan het MIT's Institute for Medical Engineering and Sciences, stelde voor dat moleculaire motoren chromosomen transformeren van een losjes verwarde toestand in een dynamische reeks uitzettende lussen.

Het proces, bekend als lusextrusie, wordt verondersteld regulerende elementen samen te brengen met de genen die ze controleren. Het team suggereerde ook dat DNA is versierd met barrières - vergelijkbaar met stopborden - die het extrusieproces beperken.

Op deze manier, lusextrusie verdeelt chromosomen in afzonderlijke regulerende buurten, bekend als topologisch associërende domeinen (TAD's).

Echter, terwijl de onderzoekers suggereerden dat een ringachtig eiwitcomplex genaamd cohesine een waarschijnlijke kandidaat was voor deze moleculaire motoren, dit moest nog worden bewezen.

Nutsvoorzieningen, in een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , een team onder leiding van Mirny en Francois Spitz van het Pasteur Instituut, hebben aangetoond dat cohesine inderdaad de rol van motor speelt in het lusextrusieproces.

"Elk van deze machines landt op het DNA en begint lussen te extruderen, maar er zijn grenzen aan het DNA waar deze motoren niet doorheen kunnen, " zegt Mirny. "Dus als gevolg van deze motorische activiteit, het genoom is georganiseerd in vele dynamische lussen die de grenzen niet overschrijden, dus het genoom wordt verdeeld in een reeks buurten."

De onderzoekers ontdekten ook dat een ander mechanisme, die geen cohesine gebruikt, is aan het werk om actieve en inactieve DNA-gebieden te organiseren in afzonderlijke compartimenten in de celkern.

Om de rol te bepalen die cohesine speelt bij de vorming van het genoom, het team verwijderde eerst een molecuul dat bekend staat als Nipbl, die verantwoordelijk is voor het laden van cohesine op DNA.

Vervolgens gebruikten ze een experimentele techniek die bekend staat als Hi-C, waarin delen van DNA die dicht bij elkaar liggen in de 3D-ruimte worden vastgelegd en gesequenced, in een poging om de frequentie van fysieke interacties tussen verschillende plekken langs chromosomen te meten.

Deze techniek, die werd ontwikkeld door Job Dekker, een professor in biochemie en moleculaire farmacologie aan het University of Massachusetts Medical Center in Worcester, is eerder gebruikt om het bestaan ​​van TAD's aan te tonen.

Het team gebruikte eerst de Hi-C-techniek om de organisatie van chromosomen te beoordelen voordat het Nipbl-molecuul van muizen werd verwijderd. Ze verwijderden vervolgens het molecuul en voerden dezelfde meting opnieuw uit.

Ze ontdekten dat de buurten zo goed als verdwenen waren.

Echter, de compartimentering tussen actieve en inactieve gebieden van het genoom was nog duidelijker geworden.

Het team is van mening dat de cohesinemotoren ervoor zorgen dat elk gen zijn regulerende elementen kan bereiken, die bepalen of genen moeten worden in- of uitgeschakeld.

Bovendien, het lijkt erop dat de cohesinemotoren worden gestopt door een ander eiwit, CTCF, die de grenzen van elke wijk afbakent. In een recente studie in het tijdschrift Cel , het Mirny-lab, in samenwerking met onderzoekers van de University of California in San Francisco en de University of Massachusetts Medical School heeft aangetoond dat als dit markerende eiwit wordt verwijderd, de grenzen tussen wijken verdwijnen, genen in de ene buurt laten praten met regelgevende elementen waarmee ze in een andere buurt niet zouden moeten praten, en leidt tot verkeerde regulatie van genen in de cel.

"Cohesine staat centraal voor genregulatie, en we benadrukken dat dit een motorische functie is, dus het is niet alleen dat zij (genen en hun regulerende elementen) elkaar ergens willekeurig in de ruimte vinden, maar ze werden samengebracht door deze motorische activiteit, ' zegt Mirny.

Dit artikel biedt belangrijke nieuwe moleculaire inzichten in de mechanismen waarmee cellen hun chromosomen vouwen, volgens Dekker, die niet betrokken was bij het huidige onderzoek.

"In dit werk combineren de Mirny- en Spitz-labs muismodellen met genomische benaderingen om chromosoomvouwing te bestuderen om te onthullen dat de machine die het cohesinecomplex laadt, van cruciaal belang is voor de vorming van TAD, ", zegt Dekker. "Uit deze en een andere eerdere studie, er komt een moleculair mechanisme in beeld waarbij TAD's worden gevormd door cohesine en Nipbl-afhankelijke chromatine-lusextrusie, die wordt geblokkeerd door sites die gebonden zijn aan CTCF."

De onderzoekers proberen nu te karakteriseren hoe de afwezigheid van de moleculaire motor de genregulatie zou beïnvloeden. Ze voeren ook computersimulaties uit om te bepalen hoe de op cohesine gebaseerde lusextrusie plaatsvindt terwijl het genoom het onafhankelijke proces van segregatie in actieve en inactieve compartimenten ondergaat.

"Het is alsof twee pianisten op dezelfde piano spelen, " zegt Nezar Abdennur, een promovendus in het Mirny-lab, die samen met collega-promovendus Anton Goloborodko aan het onderzoek deelnamen. "Ze bemoeien zich met elkaar en leggen beperkingen op elkaar, maar samen kunnen ze een prachtig muziekstuk produceren."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.