Hoe onthoudt een neus dat het een neus is? Of weet een oog nog dat het een oog is?

Terwijl wetenschappers de vraag onderzoeken hoe cellen zich herinneren wat voor soort cellen ze zouden moeten zijn, of hun genetische afstamming, is het belangrijk om te begrijpen hoe cellen verschillende genen tot expressie brengen zonder de DNA-sequentie zelf te veranderen.

Maar het bestuderen van dit onderwerp is moeilijk:onderzoekers kunnen de eiwitten die genetische expressie aansturen zuiveren, ze in een reageerbuisje stoppen en kijken hoe ze binden. Maar dit in de celkern, hun natuurlijke omgeving, was tot nu toe onmogelijk.

Nu heeft een team van onderzoekers van drie laboratoria van de Universiteit van Michigan kunnen volgen hoe een eiwit zich bindt aan zijn chromatinesubstraat in een levende cel door een samenwerking tot stand te brengen die ultramoderne beeldvorming met ultrahoge resolutie, synthetisch eiwit combineert ontwerp en rekenmodellering. Hun resultaten zijn gepubliceerd in Science Advances .

"De biologische vraag die we stellen is:'Hoe herinneren cellen zich eigenlijk ervaringen uit het verleden? En hoe leiden deze ervaringen er ook toe dat cellen verschillende identiteiten vestigen, zoals het geval is in het geval van het menselijk lichaam waar je afstammelingen van cellen hebt die vormen neuronen, of bloedcellen, of hersencellen, en behouden allemaal hun identiteit gedurende vele generaties'", zegt hoofdauteur Kaushik Ragunathan, assistent-professor biologische chemie aan de UM Medical School.

"Een voorbeeld waar ik graag aan denk, is dat als je je neus eraf hakt, je daar geen hand krijgt die groeit, ook al zijn het genoom in je neus en het genoom in je hand precies hetzelfde."

Cellen bepalen hoe en welke genen tot expressie worden gebracht vanuit een kopie van de DNA-sequentie die in elke cel wordt bewaard, ondanks dat die sequentie hetzelfde is in alle cellen in het lichaam. Een manier waarop ze de expressie regelen, is door te veranderen hoe strak het DNA in de kern is verpakt met behulp van eiwitten die 'histonen' worden genoemd. Histonen kunnen worden gemodificeerd door toevoeging van kleine chemische tags die regelen hoe strak het DNA eromheen is gewikkeld en dus of de genen tot expressie kunnen worden gebracht.

Eiwitten die deze histontags kunnen lezen, schrijven en wissen, onderzoeken het DNA in de kern van de cel zeer snel - in de orde van milliseconden, volgens Ragunathan. Uiteindelijk moet al deze epigenetische informatie van generatie op generatie worden geërfd, maar de herkenning van deze tags is een gecompliceerd proces waarbij chromatinebinding en eiwitten betrokken zijn die elkaar ontmoeten en met elkaar interageren te midden van de chaos van alle andere mogelijke concurrerende interacties binnen de cel.

In staat zijn om elke stap van het proces te begrijpen - en daardoor controle mogelijk te maken over hoe de epigenetische informatie wordt geërfd - intrigeerde co-auteur Julie Biteen, hoogleraar scheikunde en biofysica.

Biteen gebruikt fluorescentiebeeldvorming met één molecuul om individuele eiwitten in cellen te volgen. Haar laboratorium kan zien waar deze eiwitten zich bevinden ten opzichte van het chromatine, en Ragunathan's expertise ligt in de moleculaire mechanismen die ten grondslag liggen aan hoe histonmodificaties en histonbindende eiwitten op elkaar inwerken. Deze twee werelden moesten samenkomen, zodat de biochemie van wat er buiten de cellen in een reageerbuis gebeurt, kan worden getest om erachter te komen wat er binnenin gebeurt.

"De timing van dit proces is van cruciaal belang om ervoor te zorgen dat de juiste genen op de juiste plaats en op het juiste moment tot zwijgen worden gebracht," zei Biteen. "Wat me aan dit project heeft geboeid, is dat je in vitro - in een reageerbuis - twee eiwitten kunt zuiveren, ze kunt zien binden en zien hoe goed die binding is, of wat de affiniteit met elkaar is. Dat vertelt je wat er kan gebeuren in de cellen, maar niet wat er in de cellen gebeurt."

Biteen en Ragunathan werkten samen met Peter Freddolino, universitair hoofddocent biologische chemie en computationele geneeskunde en bioinformatica aan de U-M Medical School, om computermodellering te combineren met hun experimentele resultaten.

"Dit is echt waar onze samenwerking echt krachtig wordt", zei Biteen. "Aan de ene kant is het zien van moleculen erg nuttig en weten hoe snel de moleculen bewegen, helpt veel om te begrijpen wat er in de cel mogelijk is, maar hier zouden we een sprong voorwaarts kunnen maken door het systeem zelfs op onnatuurlijke manieren te verstoren om begrijpen wat deze verschillende bewegingen van moleculen in de cel eigenlijk betekenen."

Hoewel epigenetische kenmerken enorm belangrijk zijn voor het in stand houden van verschillende weefsels in complexe organismen zoals mensen, spelen ze ook een belangrijke rol bij het reguleren van genen van eencellige organismen zoals gist. Het team richtte zich op een type HP1-eiwit in gistcellen genaamd Swi6. Deze familie van eiwitten bindt zich aan een specifiek type histonmodificaties in de cel om genuitschakeling af te dwingen. Door fluorescerende labels te integreren met Swi6, zag Bitee's lab Swi6 in de celkern bewegen.

Terwijl Swi6 naar de juiste bindingsplaats op DNA zoekt, beweegt het snel, zei Biteen. Wanneer het zijn doel vindt, vertraagt ​​het aanzienlijk. De beweging van een eiwit in de cel is vergelijkbaar met tandwielen in een auto en dingen kunnen met verschillende snelheden bewegen op basis van met wie eiwitten interageren.

"Van deze spaghettisporen die we in de cel krijgen, komen we erachter hoeveel tijd ze besteden aan zoeken en hoeveel tijd ze gebonden doorbrengen," zei Biteen. "De hoeveelheid tijd die ze doorbrengen zonder te bewegen, vertelt ons hoe sterk ze op elkaar inwerken en hun biochemische eigenschappen."

Terwijl het laboratorium van Biteen bewegingen in de cel kan meten op een schaal van tientallen milliseconden, gebeurt veel van de biochemie in de cel nog sneller, zei ze. Freddolino nam deze experimentele informatie en ontwikkelde modellen om het vermogen van de Swi6-eiwitten te schatten om tussen de bindingstoestanden te springen die in experimenten werden geïdentificeerd.

Freddolino's modellering hield rekening met de experimentele metingen en de mogelijke biochemische eigenschappen, waaronder de interactie van de Swi6-moleculen in de cel. Deze interacties omvatten moleculen die vrij in de oplossing van de cel drijven, moleculen die aan DNA zijn gebonden en moleculen die elkaar "hand in hand" houden, zei hij.

"Mijn laboratorium wilde met een fijnmaziger model komen dat schatte wat de meest waarschijnlijke reeks moleculaire toestanden van de eiwitten was en hun vermogen om tussen die toestanden te springen, dat vervolgens zou leiden tot de beeldgegevens die het laboratorium van Biteen heeft gemaakt ', zei Freddolino.

"Met dit numerieke model kunnen we de computationele experimenten doen van wat er gebeurt als de eiwitbinding twee keer zo snel is als we denken. Wat als het 10 keer zo snel is als we denken? Of 10 keer langzamer? Zou dat nog steeds aanleiding kunnen geven tot de data? Heel gelukkig konden we in dit geval aantonen dat de relevante processen echt werden vastgelegd in de fluorescentiemicroscopie."

Na het identificeren van de bindende eigenschappen van natuurlijke Swi6, testten de onderzoekers hun bevindingen door Swi6 opnieuw te ontwerpen van zijn componenten om te zien of ze enkele van zijn biochemische eigenschappen konden repliceren, zei Ragunathan. Hierdoor konden de onderzoekers bepalen dat de beeldvorming en modellering die in het eerste deel van het artikel zijn uitgevoerd, weerspiegelt hoe het eiwit zich bindt in zijn oorspronkelijke omgeving.

"Kunnen we doen wat de natuur in de loop van miljoenen jaren heeft gedaan en een eiwit maken dat in veel opzichten eigenschappen heeft die vergelijkbaar zijn met die van Swi6 in cellen?" zei Ragunathan. "In vivo biochemie, zoals we besloten dit te noemen, was niet iets dat ooit voor mogelijk werd gehouden in levende cellen, maar we hebben aangetoond dat dit volledig haalbaar is door beeldvorming als modaliteit te gebruiken. We gebruiken dit project als een basis om te begrijpen hoe deze epigenetische toestanden over generaties kunnen worden vastgesteld en gehandhaafd." + Verder verkennen

Leren van de enkele cel:een nieuwe techniek om genregulatie te ontrafelen