Wetenschappers van EPFL en Max Plank hebben belangrijke ontdekkingen gedaan over hoe ontwikkelingsgenen worden gecontroleerd door het methyltransferase-enzym PRC2. De studie is gepubliceerd in Natuur Structurele en moleculaire biologie .

Polycomb repressive complex 2 (PRC2) maakt deel uit van een groter systeem van eiwitten die samenwerken om de expressie van ontwikkelingsgenen te onderdrukken. PRC2 doet dit door maximaal drie methylgroepen toe te voegen aan een specifiek lysine-aminozuur (lysine 27) van het histon H3-eiwit. Vooral trimethylering (drie methylgroepen) van lysine 27 is belangrijk, als de expressie van specifieke genen tijdens de ontwikkeling uitschakelt.

Dergelijke genrepressie vereist een hoge concentratie van lysine 27-trimethylering binnen gedefinieerde chromatine (DNA gewikkeld rond histonen) regio's, omdat mutaties die dit proces voorkomen, leiden tot ontwikkelingsstoornissen of kanker. Voor maximale activiteit, PRC2 heeft verdere "accessoire factoren" nodig, die per soort verschillen. In mensen, een belangrijke accessoirefactor is PHF1.

Nutsvoorzieningen, de laboratoria van Beat Fierz bij EPFL en Jürg Muller bij de MPI gecombineerde chemische biologie, biofysica, en structurele studies om het mechanisme te identificeren waarmee PHF1 de activiteit van het PRC2-enzym verhoogt.

De wetenschappers gebruikten fluorescentiebeeldvorming met één molecuul om menselijke PHF1-PRC2-complexen direct in realtime te observeren in interactie met synthetische chromatinevezels. Deze experimenten onthulden dat PHF1-eiwitten PRC2 op chromatine verankeren, hun lokale activiteit te vergroten.

Structurele analyse toonde aan dat PHF1 een voorheen onbekend DNA-bindend domein bevat waarvan de interactie met het nucleosomale DNA van cruciaal belang is voor het verankeren van PRC2 aan chromatine en voor het verhogen van de activiteit ervan. Eigenlijk, dit DNA-bindende domein is de sleutel tot efficiënte genregulatie van verschillende soorten. Zoals de auteurs schrijven:"... een groot deel van de bindingsaffiniteit van PRC2 voor nucleosomen komt van interacties van het complex met DNA."

De auteurs trekken drie conclusies uit de bevindingen:dat de bindingsaffiniteit van PRC2 voor chromatinesubstraat wordt bepaald door zijn interacties met DNA. Tweede, dat verhoogde verankering van PRC2 aan chromatine via PHF1 afhangt van een nieuw geïdentificeerde structurele eenheid in PHF1. En ten derde, dat stabiele PRC2-chromatine-interacties, bemiddeld door PHF1, zijn essentieel voor verhoogde lysinetrimethylering in chromatine - en dus voor genrepressie.

"We zijn enthousiast over het vermogen om chemie en beeldvorming te combineren om fundamentele moleculaire processen te observeren op de schaal van één molecuul en in realtime, ", zegt Beat Fierz. "Deze benaderingen bieden echt nieuwe wegen om biologie met chemische precisie te begrijpen, zoals hier aangetoond voor PRC2-afhankelijke genregulatie."