Een belangrijk eiwit voor het omzetten van volwassen stamcellen in cellen die lijken op embryonale stamcellen is in ongekend detail gevisualiseerd door een internationaal team van onderzoekers rond Hans Schöler en Vlad Cojocaru van het Max Planck Institute for Molecular Biomedicine in Münster. Door experimenten en computersimulaties te combineren, visualiseerde het team hoe het Oct4-eiwit korte stukjes DNA bindt en opent terwijl het om nucleaire opslageiwitten (histonen) is gewikkeld, net als in ons genoom. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nucleic Acids Research op 22 sept.

Volwassen cellen kunnen worden omgezet in embryonale stamcelachtige cellen (geïnduceerde pluripotente cellen, iPSC's) met een cocktail van slechts vier eiwitten. In de afgelopen jaren heeft deze cellulaire herprogrammeringstechnologie enorm bijgedragen aan ziektemodellering, medicijnontwikkeling en celvervangingstherapieën. Veel vragen over de moleculaire mechanismen van deze omzetting blijven echter onbeantwoord. Een essentiële stap is bijvoorbeeld het openen van DNA in de om te zetten cellen. Elk van onze cellen bevat ongeveer twee meter DNA verpakt in een structuur die bekend staat als chromatine. In chromatine is het DNA strak om histonen gewikkeld in herhalende structurele eenheden die bekend staan ​​als nucleosomen. Dus, hoe openen deze vier eiwitten het DNA wanneer ze tot expressie worden gebracht in volwassen cellen?

Oct4:Een pionier op het gebied van pluripotente stamcellen

Van drie van de vier eiwitten werd beschreven dat ze pionierstranscriptiefactoren zijn, wat betekent dat ze binden aan specifieke DNA-sequenties terwijl ze zijn ingepakt in nucleosomen en het vermogen hebben om direct of indirect chromatine te openen. Van de drie valt Oct4 op omdat het essentieel is voor het onderhoud van embryonale stamcellen van verschillende soorten en voor de herprogrammering van menselijke cellen. Oct4 werd eind jaren 80 ontdekt door Hans Schöler, ongeveer tegelijkertijd met twee andere laboratoria en is de enige onvervangbare factor in Shinya Yamanaka's Nobelprijswinnende cocktail voor het herprogrammeren van volwassen cellen tot pluripotente cellen. Ongeveer 10 jaar geleden beschreven Abdenour Soufi en Ken Zaret regio's van verpakt DNA die in de vroege stadia van herprogrammering door Oct4 worden gebonden.

Caitlin MacCarthy, een postdoc in de groep van Hans Schöler en een van de hoofdauteurs van de studie, leverde de wet-lab-experimenten. Terugkijkend op haar werk legt MacCarthy uit:"De experimenten waren uitdagender dan we hadden verwacht. Het werken met genomische of inheemse nucleosomen wordt nogal technisch omdat ze zeer dynamisch zijn, in tegenstelling tot gemanipuleerde sequenties die stabieler zijn. Toch konden we precies laten zien waar Oct4 bindt zich aan hen." Dus wat gebeurt er als Oct4 nucleosomen bindt?

Computationele nanoscoop

Om dit te beantwoorden, leverde Jan Huertas, ook een hoofdauteur van de studie, de simulaties die hij uitvoerde tijdens zijn Ph.D. studeert aan MPI Münster. Hij en Vlad Cojocaru gebruikten de computationele nanoscoop om te visualiseren hoe Oct4 zich bindt aan nucleosomen en hun structuur beïnvloedt. De term computationele nanoscope wordt door onderzoekers gebruikt om te verwijzen naar een reeks computersimulatiemethoden waarmee ze de bewegingen van moleculen in de loop van de tijd kunnen visualiseren.

De nauwkeurigheid van deze methoden is nu zo hoog dat je je kunt voorstellen de moleculen te observeren onder een microscoop met een zeer hoge resolutie. Nucleosomen zijn, net als alle macromoleculaire structuren in onze cellen, dynamisch. Ze bewegen, draaien, ademen, pakken uit en wikkelen zich weer in. Het visualiseren van deze bewegingen in experimenten is vaak onmogelijk. Huertas legt uit:"Het is zo verbazingwekkend om deze grote moleculaire structuren met al hun atomen op de computer te zien bewegen en te weten dat wat je ziet heel dicht in de buurt komt van wat er werkelijk gebeurt."

Oct4 opent nucleosomen

In de real-time films van Oct4-nucleosoomcomplexen die ze genereerden, die elk 1 tot 3 microseconden van de levensduur van het complex laten zien, observeerden Huertas en Cojocaru hoe Oct4 in staat is om de nucleosomen te openen. Ze beschreven in atomaire details de mechanismen van deze opening door bewegingen van vrije en Oct4-gebonden nucleosomen te vergelijken.

Interessant is dat de opening afhing van de positie van de DNA-sequentie die door Oct4 wordt herkend op het nucleosoom en van de mobiliteit van terminale flexibele gebieden van de histonen, ook wel histon-staarten genoemd.

Op weg naar inzicht in pioniersfactoren en conversies van het lot van cellen

De onderzoekers zijn enthousiast over de implicaties van hun werk en toekomstperspectief. Cojocaru, nu een vooraanstaand onderzoeker aan de Babeş-Bolyai-universiteit, ook aangesteld als senior onderzoeker aan de Universiteit Utrecht, en gastwetenschapper aan de MPI Münster, zegt:"We laten hier voor het eerst in atomaire details zien hoe Oct4 bindt aan verschillende nucleosomen, maar ook hoe Oct4-binding samen met de histon-staarten de structurele flexibiliteit van deze nucleosomen beïnvloedt."

MacCarthy voegt eraan toe dat "omdat de histonstaarten, net als pionierfactoren, ook belangrijke regulatoren zijn van genexpressie. kan worden uitgedrukt."

Huertas legt verder uit dat "het tot nu toe een mysterie was hoe histonstaarten het vermogen van pionierfactoren om nucleosomen te binden en te openen beïnvloeden. Ons werk effent de weg voor toekomstige studies van andere pionierfactoren, waarvan vele de sleutel zijn tot cellulaire transformaties, inclusief conversies van het lot van cellen en kanker."

Cojocaru zegt:"Het mechanisme dat we hier beschrijven, vult een kennislacune op in het begrip van hoe factoren zoals Oct4 cellotovergangen induceren. Het begrijpen van deze mechanismen zal uiteindelijk middelen verschaffen om dergelijke overgangen te optimaliseren en te beheersen voor succesvol gebruik in therapieën. En computersimulaties zullen worden in het hart van deze toekomstige ontdekkingen." + Verder verkennen

Computersimulaties visualiseren hoe DNA wordt herkend om cellen om te zetten in stamcellen