Het DNA in een menselijke cel is 2 yards (1,83 meter) lang en wikkelt zich rond miljoenen kraalachtige histon-eiwitten om in de celkern te passen. Onderzoekers van Rice University en Baylor College of Medicine toonden aan dat het onderzoeken van de chemische toestand van deze eiwitten het mogelijk maakt te voorspellen hoe een heel DNA-chromosoom zal vouwen.

Onderzoekers van Rice's Center for Theoretical Biological Physics (CTBP) hebben computermodellen geconstrueerd om epigenetische tekens te analyseren, die eiwitten omvatten die aan DNA zijn gebonden, evenals chemische modificaties aan histon-eiwitten. Ze verzamelden de informatie die in deze markeringen is gecodeerd om te voorspellen hoe de chromosomen in drie dimensies vouwen.

Hun bevindingen brengen het veld van de genetica dichter bij het vermogen om de gevouwen structuur van hele genomen te voorspellen, die op een dag kunnen helpen bij het identificeren van aan misfolding gerelateerde genetische ziekten.

Het werk verschijnt deze week in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

Verpakt in de kern, DNA vouwt zich op tot een functionele vorm die verschilt in verschillende soorten cellen. Omdat elke cel in een organisme hetzelfde DNA bevat, epigenetische markeringen helpen het de juiste vorm te vinden voor het type cel dat het bewoont.

"Iets bovenop de genetische code vertelt de cel wat het zou moeten zijn en bepaalt welke delen van het chromosoom op een bepaald moment zullen worden gelezen, " zei biofysicus Peter Wolynes, een co-auteur van het artikel. "Dit zijn de zogenaamde epigenetische tekens."

collectief, epigenetische markeringen helpen het genoom te verpakken in de losse maar goed georganiseerde compartimenten die het tijdens interfase aanneemt, de werkende "middelbare leeftijd" in het leven van een cel. Deze compartimenten brengen transcriptiegerelateerde genen dicht bij elkaar en zorgen ervoor dat ze kunnen communiceren en functioneren.

Epigenetische kenmerken kunnen worden onthuld door een gevestigde techniek genaamd ChIP-sequencing, die eiwitbindingsplaatsen langs DNA in kaart brengt.

"We begrijpen niet precies hoe het genoom wordt gemarkeerd, maar we kunnen het meten door middel van ChIP-sequencing, wat een vrij eenvoudig experiment is geworden, " zei Wolynes. "Op dezelfde manier waarop we genetische code (het DNA) kunnen bekijken, we kunnen deze markeringen ook direct in veel verschillende cellen meten. Ze zijn de volgende sequentielaag op het genoom geworden."

"Het is een ander niveau van informatie, "Zei co-auteur en biofysicus José Onuchic. "Elk van je cellen' DNA is hetzelfde. Echter, verschillende soorten cellen hebben verschillende epigenetica, dus hun expressiepatronen zijn anders."

Co-lead auteurs en Rice postdoctorale fellows Michele Di Pierro en Ryan Cheng gebruikten ChIP-sequencing-gegevens voor een menselijke lymfoblastcel die 84 verschillende DNA-bindende eiwitten en 11 chemische modificaties van histonen onderzoekt. Histon-eiwitten helpen bij het organiseren van het genoom door te fungeren als spoelen waar het DNA zich omheen wikkelt.

Met behulp van gegevens van slechts enkele van de chromosomen, ze trainden een aangepast neuraal netwerk genaamd MEGABASE (Maximum Entropy Genomic Annotation from Biomarkers Associated with Structural Ensembles) om een ​​reeks chromatinetypes uit te voeren. Dat onthulde hoe de epigenetische kenmerken verband hielden met de compartimenten, ze zeiden. Eenmaal getraind, ze valideerden het MEGABASE-model door het gegevens van de resterende chromosomen te geven. Dat leverde een nieuwe reeks structurele typen op voor analyse door het MiChroM-programma van het Rice-team, een neef van het AWSEM-energielandschapsalgoritme van het laboratorium dat de structuren van eiwitten voorspelt. Het MiChroM-algoritme voorspelde de 3D-structuren van de chromosomen.

"Onze bevindingen ondersteunen het idee dat compartimentering in chromosomen voortkomt uit de fasescheiding van verschillende chromatinetypen in de kern, zoals de scheiding van olie en water, ' zei Chen.

Toen de onderzoekers de oorspronkelijke dataset reduceerden tot slechts de 11 histonmarkeringen en de berekeningen opnieuw uitvoerden, de resultaten waren slechts marginaal verschillend. uiteindelijk, ze bepaalden dat histongegevens alleen voldoende zijn om de vorm van een chromosoom te voorspellen. "Er is een goed gedefinieerde code die de histonmarkeringen verbindt met de structuur, "Zei Di Pierro. "Het is goed bewaard gebleven, dus het is waarschijnlijk dat het een functie heeft."

Om hun theorie te valideren, de onderzoekers vergeleken hun resultaten met contactkaarten van lymfoblastcellen gegenereerd door Hi-C. Deze experimentele techniek, die high-throughput sequencing gebruikt om vouwpatronen in DNA te identificeren, is ontwikkeld door co-auteur Erez Lieberman Aiden, directeur van Baylor's Center for Genome Architecture en een senior onderzoeker bij het CTBP.

"Dit artikel zegt dat we eendimensionale informatie over histonen kunnen nemen en deze kunnen gebruiken met onze big-data-tools om driedimensionale structuur te voorspellen, ' zei Wolynes.

Hun succes brengt het team dichter bij het uiteindelijke doel van een theorie die de architectuur van een heel genoom voorspelt. Echter, er blijft een kip-of-het-ei-probleem:vouwt chromatine door de markers, of verschijnen de markeringen door het vouwen?

"Het maakt allemaal deel uit van onze fascinatie voor hoe het leven werkt, "Zei Di Pierro. "Het is een mooi probleem."