Een nieuwe studie onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Californië, San Diego, heeft de huidige modellen over hoe het genoom in cellen is georganiseerd op zijn kop gezet. Uit de studie, gepubliceerd op 23 februari 2023 in *Molecular Cell*, blijkt dat DNA-lussen niet in de loop van de tijd blijven bestaan, zoals eerder werd gedacht, maar in plaats daarvan snel uiteenvallen en weer in elkaar zetten.

De onderzoekers ontwikkelden een computationele pijplijn die single-cell imaging, microscopiegegevens en andere genoombrede datasets integreert en analyseert. Ze noemden de aanpak COLA (CO-localization and Looping Analysis). COLA vindt DNA-looping-gebeurtenissen in microscopiebeelden met superresolutie en koppelt deze aan activiteitsuitlezingen die over het hele genoom worden gemeten, zoals RNA-polymerasebinding.

Met behulp van COLA bestudeerde het team looping-gebeurtenissen op vier genomische loci waarvan bekend is dat ze op lange afstand met elkaar in wisselwerking staan. Verrassend genoeg ontdekten ze dat individuele lussen zelden langer dan een paar minuten duren, en dat vele zeer dynamisch zijn en een snelle montage en demontage ondergaan. Deze resultaten dagen de heersende opvatting uit dat genomische contacten stabiele, persistente chromatinestructuren weerspiegelen die transcriptieprogramma's in stand houden. In plaats daarvan stelt het team een ​​model voor waarbij lussen van voorbijgaande aard zijn en slechts tijdelijk worden gevormd als reactie op specifieke regelgevende signalen.

"Lussen zijn overal in cellen aanwezig, maar ze zijn veel van voorbijgaandere aard dan iemand eerder heeft beseft", zegt co-senior auteur Gene Yeo, PhD, hoogleraar cellulaire en moleculaire geneeskunde en directeur van het Center for RNA Biology aan de UC San Diego School. van de geneeskunde. "Onze bevindingen vernietigen de veronderstelling dat deze lussen bedraad zijn en impliceren dat lusvorming dynamisch wordt gereguleerd."

Hoe cellen het genoom lezen om functionele producten te maken

Cellen moeten strak reguleren hoe ze instructies van hun genomen lezen om functionele producten te produceren, zoals eiwitten die verschillende cellulaire functies uitvoeren. De manier waarop cellen hun genomen in drie dimensies verpakken, ordenen en vouwen, speelt een cruciale rol bij genregulatie. Deze organisatorische principes bepalen welke DNA-segmenten worden benaderd en geïnterpreteerd door de cellulaire machinerie die verantwoordelijk is voor het lezen en transcriberen van genen.

De meest fundamentele eenheid van het vouwen van het genoom is looping, waarbij afgelegen gebieden van DNA fysiek met elkaar in contact komen om de genexpressie te helpen orkestreren. Er wordt gedacht dat lussen eiwitten samenbrengen die genexpressie aansturen, waardoor ze kunnen interageren en hun functies efficiënt kunnen uitvoeren.

COLA belicht de dynamische aard van DNA-lussen

De COLA-aanpak stelt onderzoekers in staat tegelijkertijd lussen en andere genomische kenmerken te visualiseren, waardoor ruimtelijke en temporele relaties in ongekend detail worden vastgelegd. "We hebben nu een methode die veranderingen in de bezetting van RNA-polymerase direct kan correleren met specifieke looping-veranderingen in afzonderlijke cellen", zegt co-eerste auteur Michael Niculescu III, een afgestudeerde student in het Yeo Lab.

De onderzoekers zeggen dat hun bevindingen brede implicaties hebben voor het begrijpen van genexpressie en genoomorganisatie. Ze suggereren bijvoorbeeld dat de dynamische en fluctuerende aard van lussen ervoor zou kunnen zorgen dat cellen snel kunnen reageren op veranderingen in de omgeving of op ontwikkelingssignalen. Bij kanker en neurodegeneratieve ziekten kan deze flexibiliteit cellen ook in staat stellen om van celidentiteit te wisselen en genexpressieprogramma's te herprogrammeren.

"We kunnen nu veel doen met deze tool", zegt co-eerste auteur Matthew Huynh, een postdoctoraal onderzoeker in het Yeo Lab. "We kunnen nieuwe hypothesen testen en ziektegerelateerde veranderingen in de regelgeving onderzoeken op manieren die we voorheen niet konden."

Extra co-auteurs

Andere co-auteurs van deze studie zijn:Yuzuru Kido, UC San Diego; James McGinnis, UC San Diego; en Nicholas Ingolia, UC Berkeley.

Dit onderzoek werd gedeeltelijk gefinancierd door de National Institutes of Health (R35 GM143669, T32 GM007240), de National Science Foundation (MCB-2110538), de Simons Foundation (540333) en het Ludwig Institute for Cancer Research.