Het leven begint met één cel. Wanneer een organisme zich ontwikkelt, specialiseren de delende cellen zich om de verscheidenheid aan weefsels en organen te vormen die het volwassen lichaam opbouwen, terwijl hetzelfde genetische materiaal in ons DNA wordt bewaard. In een proces dat bekend staat als transcriptie, worden delen van het DNA – de genen – gekopieerd naar een boodschappermolecuul – het ribonucleïnezuur (RNA) – dat de informatie bevat die nodig is om eiwitten, de bouwstenen van het leven, te produceren. De delen van ons DNA die worden uitgelezen en getranscribeerd, bepalen het lot van onze cellen. De lezers van het DNA zijn eiwitten die transcriptiefactoren worden genoemd:ze binden aan specifieke plaatsen op het DNA en activeren het transcriptieproces. Hoe ze herkennen aan welke locatie op het DNA ze moeten binden en hoe deze zich onderscheiden van andere willekeurige bindingsplaatsen in het genoom blijft een open vraag. Wetenschappers van het Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics (MPI-CBG) en het Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems (MPI-PKS), beide gevestigd in Dresden, tonen aan dat duizenden individuele transcriptiefactoren samenwerken en op elkaar inwerken met elkaar. Ze bevochtigen gezamenlijk het DNA-oppervlak door vloeibare druppeltjes te vormen die clusters van bindingsplaatsen op het DNA-oppervlak kunnen identificeren.

Transcriptie, een van de meest fundamentele cellulaire processen, is de actie waarbij de informatie in het DNA wordt getranscribeerd in het boodschappermolecuul RNA. Deze "boodschap" wordt later vertaald in eiwitten. Beslissen welke delen van het DNA op een bepaald moment worden getranscribeerd, is cruciaal voor een goede ontwikkeling om de gezondheid van een organisme te behouden, omdat veel ziekten waarschijnlijk zullen optreden wanneer de genetische programma's niet correct worden uitgevoerd. De beslissing over welke genen worden getranscribeerd, wordt gemaakt door een complex netwerk van regulerende eiwitten die transcriptiefactoren worden genoemd. Hoewel deze factoren binden aan korte DNA-sequenties, is de herkenning van clusters van veel van dergelijke sequenties vereist om nabijgelegen genen in te schakelen.

De onderzoeksgroepen van Stephan Grill en Anthony Hyman, beide directeuren van de MPI-CBG, en de groep van Frank Jülicher, directeur van de MPI-PKS onderzochten in hun recente studie in het tijdschrift Nature Physics hoe transcriptiefactoren clusters van veel specifieke DNA-sequenties vinden en herkennen waar ze kunnen binden en tot genactivering kunnen leiden. Om dit te achterhalen, volgden de onderzoekers een interdisciplinaire benadering, waarbij expertise in experimentele en theoretische biofysica werd gecombineerd met celbiologie. Jose A. Morin, een van de eerste auteurs van de studie, legt uit:"We gebruikten optische pincetten - een technologie die lasers gebruikt om zeer kleine objecten zoals enkele DNA-moleculen te isoleren en te manipuleren - gecombineerd met confocale microscopie om ze afzonderlijk te bekijken. Met een optische pincet is het mogelijk om een ​​enkel DNA-molecuul te vangen en met confocale microscopie kunnen we zien dat transcriptiefactoren binden en eiwitcondensaten vormen op hun favoriete DNA-sequenties.Het feit dat we dit proces één molecuul tegelijk kunnen bestuderen, stelde ons in staat om interacties te detecteren anders vertroebeld door de complexiteit van de levende cel." Sina Wittmann, een andere eerste auteur, voegt toe:"Met de hulp van de natuurkundigen konden we begrijpen hoe transcriptiefactoren met elkaar communiceren en samenkomen door middel van teamwerk. Ze ondergaan een zogenaamde prewetting-overgang om vloeistofachtige druppeltjes te vormen. die lijken op de druppels op een spiegel in uw badkamer na een douche. Deze condensaten zijn gevuld met duizenden transcriptiefactoren. Op deze manier geassembleerd, kunnen de transcriptiefactoren nu het juiste DNA-gebied identificeren door de DNA-sequentie uit te lezen. "

Stephan Grill vat samen:"We hebben nu een mogelijke mechanistische verklaring voor de lokalisatie van transcriptiefactoren langs het genoom. Dit is essentieel om te begrijpen hoe genexpressie wordt gereguleerd. Omdat we weten dat deze regulatie afbreekt bij ontwikkelingsziekten en kanker, zijn deze nieuwe resultaten geven ons een duidelijker beeld van hoe deze ziekten ontstaan. Deze kennis is belangrijk om na te denken over nieuwe therapeutische opties die rekening houden met het teamwork van transcriptiefactoren."