De wijze van verpakking van het genomische DNA in de celkern bepaalt patronen van genexpressie. Onderzoekers uit München hebben op DNA gebaseerde nano-pincetten gebruikt om de krachten tussen nucleosomen te meten, de basisverpakkingseenheden van nucleair DNA.

Elke menselijke cel bevat zo'n twee meter desoxyribonucleïnezuur (DNA), die de genetische informatie codeert die de cellulaire structuren en functies specificeert. Bovendien, dit "genomische" DNA is verpakt in de celkern, die minder dan 10 micrometer in diameter is. Dit betekent dat het nucleaire DNA moet worden verpakt, voornamelijk door interactie met specifieke eiwitten. De basisverpakkingseenheid is een deeltje gemaakt van eiwitten die histonen worden genoemd, waar het DNA omheen is gewikkeld. Vergelijkbaar met kleine spoelen, deze structuren worden nucleosomen genoemd. Nucleosomen zijn op hun beurt met elkaar verbonden door DNA-segmenten die zich tussen de kerndeeltjes uitstrekken en er niet omheen zijn gewikkeld. Onder de elektronenmicroscoop bekeken, het DNA verpakt in nucleosomen lijkt op kralen aan een touwtje.

Het volgende verpakkingsniveau omvat de onderlinge interactie van nucleosomen, en de resulterende hogere-orde structuren zijn nog niet volledig gekarakteriseerd. Een team van wetenschappers onder leiding van Hendrik Dietz van de Technische Universiteit van München en Philipp Korber van het LMU's Biomedical Center heeft nu een substantiële stap gezet in de richting van het oplossen van deze puzzel:voor de eerste keer ooit, ze zijn erin geslaagd om de aantrekkingskrachten die tussen nucleosomen werken direct te meten. Hun resultaten verschijnen in de tijdschriften wetenschappelijke vooruitgang en Nano-letters .

DNA-origami:nucleosomen in het pincet integreren

Dietz, houder van de leerstoel Experimentele Biofysica aan de TUM, gebruikt DNA als constructiemateriaal om moleculaire structuren te bouwen - een technologie die DNA-origami wordt genoemd. Hij en zijn team hebben de methode nu gebruikt om structuren te creëren die bestaan ​​uit twee stijve DNA-staven die met elkaar zijn verbonden door een flexibele verbinding die als een veer fungeert. Deze kunnen als een pincet worden gebruikt om de sterkte van de interacties tussen nucleosomen te meten. Aan elke arm van het pincet is één nucleosoom bevestigd. "We kunnen de positie en oriëntatie van de nucleosomen in het DNA-pincet met een zeer hoge mate van precisie controleren, ", zegt Dietz. "Dit is heel belangrijk als het gaat om het echt kunnen meten van de interacties."

De LMU-onderzoekers namen de taak op zich om nucleosoomstructuren te ontwikkelen die in het pincet kunnen worden geïntegreerd. Philip Korber, Privaatdocent en groepsleider bij de leerstoel Moleculaire biologie aan het BMC, legt uit:"Normaal gesproken liggen de twee dubbelstrengige uiteinden van het DNA dat rond het nucleosoom is gewikkeld, heel dicht bij elkaar. Maar wat we nodig hadden, waren twee uitstekende enkele strengen, dichter bij het midden. Dit was een belangrijk probleem, omdat een dergelijke configuratie de hele structuur kan destabiliseren. Ons teamlid Corinna Lieleg is er desondanks in geslaagd om de juiste plekken voor deze handgrepen te vinden."

De onderzoekers konden een zeer zwakke interactie meten tussen geïntegreerde nucleosomen, gelijk aan een aantrekkingskracht van 1,6 kcal/mol, in een bereik van ongeveer 6 nanometer (nm). De oriëntaties van de nucleosomen ten opzichte van elkaar bleken nauwelijks effect te hebben. Echter, bepaalde chemische modificaties in de histon-eiwitten verzwakten de interacties verder.

Het probleem van de 30 nm-vezel

Het resultaat zou kunnen helpen bij het oplossen van een huidig ​​wetenschappelijk geschil. Volgens de huidige theorie is nucleosomen vormen een soort superspiraal met een diameter van 30 nanometer, de zogenaamde 30 nm vezel. Tot dusver, echter, deze hogere-orde 30-nm structuur is nooit waargenomen in levende cellen. Of het chromatine echt de vorm aanneemt van zo'n superspiraal is nog steeds zeer controversieel. Inderdaad, de minuscule aantrekkingskrachten tussen de nucleosomen, die de onderzoekers nu met succes hebben gemeten, lijken de theorie tegen te spreken. "Onze gegevens wijzen op zeer zachte structuren die gemakkelijk kunnen worden vervormd door externe invloeden, ' zegt Dietz.

Hoe nucleosomen zijn georganiseerd in structuren van een hogere orde, is een fundamenteel belangrijke kwestie, omdat het ingrijpende gevolgen heeft voor de controle van genexpressie. Alleen die genen die in relatief niet-compact chromatine liggen, zijn toegankelijk voor 'activering', waardoor de eiwitten waarvoor ze coderen kunnen worden geproduceerd door de cellulaire machinerie.

Genregulatie door DNA-verpakking gaat mis in kankercellen

"In de afgelopen tien jaar is duidelijk geworden dat veel van de veranderingen en mutaties die cellen in kankercellen veranderen, op dit niveau plaatsvinden, " zegt Korber. In een kankercel, de normale mechanismen die bepalen welke genen actief zijn en welke inactief zijn verstoord. Genomische regio's die niet toegankelijk zouden moeten zijn, worden opengelaten en vice versa. "Echter, als alleen de verpakking defect is, en niet het gen zelf, het moet in principe mogelijk zijn om de juiste verpakking weer te herstellen."

De onderzoekers zijn van plan om de moleculaire pincettechniek te gebruiken om andere structuren te onderzoeken. "In de biologie is de oriëntatie van structuren ten opzichte van elkaar altijd belangrijk, " zegt Korber. "Nu hebben we een soort moleculaire klem waarmee we specifiek de ruimtelijke oriëntatie van structuren ten opzichte van elkaar kunnen regelen."