Een nieuwe studie onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Californië, San Diego, heeft een nieuw mechanisme blootgelegd waarmee DNA zich ontvouwt om gentranscriptie te initiëren. Het moleculaire mechanisme, genaamd ‘geïnduceerd uitpakken’, onthult hoe DNA, dat normaal gesproken strak om eiwitten wordt gewikkeld die histonen worden genoemd om chromatine te vormen, geleidelijk kan worden uitgepakt om via transcriptiemachines toegang te krijgen tot de genen die coderen voor eiwitten.

Het onderzoeksteam, geleid door Andrei Chavan, PhD, een voormalig postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Shelley L. Berger, PhD, hoogleraar bij de afdeling Scheikunde en Biochemie aan de UC San Diego, combineerde experimenten met één molecuul en computationele simulaties om te onderzoeken hoe de ATP-afhankelijke chromatine-remodeler ACF (ATP-gebruikende chromatine-assemblage- en remodelleringsfactor) DNA uitpakt.

DNA is het molecuul dat de instructies bevat voor de ontwikkeling en kenmerken van een organisme, maar de lange, draadachtige structuur moet in de cellen worden georganiseerd en verpakt om in de kern te passen. Om dit te doen, wordt DNA rond histonen gewikkeld om ‘nucleosomen’ te vormen, de fundamentele eenheden van chromatine.

Wanneer een gen moet worden getranscribeerd (de eerste stap van genexpressie), moet het DNA worden losgemaakt van de histonen zodat transcriptiemachines er toegang toe hebben. Eerder dachten onderzoekers dat het uitpakken van DNA plaatsvond door de krachtige uitzetting van histonen, een proces dat bekend staat als nucleosoomdemontage.

De nieuwe studie onthult echter een alternatief mechanisme, geïnduceerd uitpakken, waarbij het DNA geleidelijk wordt uitgepakt uit histonen zonder volledige demontage van het nucleosoom.

"We ontdekten dat ACF-binding alleen ervoor kan zorgen dat DNA zich begint uit te wikkelen, en deze openstelling van het DNA vergemakkelijkt de initiatie van de transcriptie", zegt Chavan, nu een postdoctoraal onderzoeker aan het Stowers Institute for Medical Research in Kansas City, Missouri.

De onderzoekers gebruikten experimenten met één molecuul om precies te meten hoe DNA zich voor en na ACF-binding van het nucleosoom afwikkelt, en hun resultaten toonden aan dat ACF ervoor kon zorgen dat DNA zich met ongeveer 1,75 omwentelingen rond het histon-octameer afwikkelde.

“Onze simulaties ondersteunden en breidden de experimentele bevindingen uit, waardoor we konden visualiseren hoe ACF het nucleosoom aanvankelijk herkent en eraan bindt, en hoe het het proces van het uitpakken van DNA begint”, zegt co-auteur Olga Popa, PhD, een voormalig postdoctoraal onderzoeker in het nucleosoom. het Berger-laboratorium en nu assistent-professor natuurkunde en integratief STEM-onderwijs aan het MiraCosta College in Oceanside, Californië.

Het werk identificeert niet alleen het geïnduceerde uitpakken als een apart mechanisme voor het afwikkelen van DNA, maar werpt ook licht op hoe andere enzymen DNA zouden kunnen ontvouwen om genexpressie te reguleren. Gendysregulatie wordt geassocieerd met talloze ziekten, waaronder kanker, en het begrijpen van de mechanismen waarmee DNA wordt georganiseerd en toegankelijk is een cruciale stap in de richting van het ontwikkelen van therapieën om normale genexpressiepatronen te herstellen.

“ACF-geïnduceerde DNA-uitpakking is een belangrijk nieuw concept in de chromatinebiologie en biedt een herziene kijk op hoe remodellerende complexen toegang krijgen tot DNA voor genregulatie”, zegt Berger. “Het onderzoek verrijkt niet alleen ons fundamentele begrip van genexpressie, maar identificeert ook potentiële nieuwe doelen voor therapeutische interventie bij ziekten die het gevolg zijn van afwijkende genregulatie.”