Forskere identificerer molekylær motor, der transformerer kromosomer

En molekylær "motor", der organiserer genomet i adskilte kvarterer ved at danne sløjfer af DNA, er blevet karakteriseret af forskere ved MIT og Pasteur Institute i Frankrig.

I en undersøgelse offentliggjort i 2016, et hold ledet af Leonid Mirny, en professor i fysik ved MIT's Institute for Medical Engineering and Sciences, foreslået, at molekylære motorer transformerer kromosomer fra en løst sammenfiltret tilstand til en dynamisk serie af ekspanderende sløjfer.

Processen, kendt som loop ekstrudering, menes at bringe regulatoriske elementer sammen med de gener, de kontrollerer. Holdet foreslog også, at DNA er dekoreret med barrierer - beslægtet med stopskilte - der begrænser ekstruderingsprocessen.

På denne måde loop-ekstrudering opdeler kromosomerne i separate regulatoriske kvarterer, kendt som topologisk associerende domæner (TAD'er).

Imidlertid, mens forskerne foreslog, at et ringlignende proteinkompleks kaldet cohesin var en sandsynlig kandidat til disse molekylære motorer, dette var endnu ikke bevist.

Nu, i et papir offentliggjort i tidsskriftet Natur , et team ledet af Mirny og Francois Spitz på Pasteur Institute, har vist, at cohesin faktisk spiller rollen som en motor i løkkeekstruderingsprocessen.

"Hver af disse maskiner lander på DNA'et og begynder at ekstrudere løkker, men der er grænser på DNA, som disse motorer ikke kan komme igennem, " siger Mirny. "Så som et resultat af denne motoriske aktivitet, genomet er organiseret i mange dynamiske loops, der ikke krydser grænserne, så genomet bliver opdelt i en række kvarterer."

Forskerne opdagede også, at en anden mekanisme, der ikke bruger cohesin, er i gang med at organisere aktive og inaktive områder af DNA i separate rum i cellens kerne.

For at bestemme den rolle cohesin spiller i genomdannelse, holdet slettede først et molekyle kendt som Nipbl, som er ansvarlig for at indlæse cohesin på DNA.

De brugte derefter en eksperimentel teknik kendt som Hi-C, hvor dele af DNA, der er tæt på hinanden i 3-D-rummet, fanges og sekventeres, i et forsøg på at måle hyppigheden af ​​fysiske interaktioner mellem forskellige pletter langs kromosomer.

Denne teknik, som var pioneret af Job Dekker, en professor i biokemi og molekylær farmakologi ved University of Massachusetts Medical Center i Worcester, er tidligere blevet brugt til at påvise eksistensen af ​​TAD'er.

Holdet brugte først Hi-C-teknikken til at vurdere organiseringen af ​​kromosomer, før de fjernede Nipbl-molekylet fra mus. De fjernede derefter molekylet og udførte den samme måling igen.

De fandt ud af, at kvartererne nærmest var forsvundet.

Imidlertid, kompartmentaliseringen mellem aktive og inaktive områder af genomet var blevet endnu mere markant.

Holdet mener, at cohesinmotorerne tillader hvert gen at nå ud til dets regulatoriske elementer, som styrer om gener skal tændes eller slukkes.

Hvad mere er, det ser ud til, at cohesin-motorerne er stoppet af et andet protein, CTCF, som afgrænser hvert kvarters grænser. I en nylig undersøgelse i tidsskriftet Celle , Mirny laboratoriet, i samarbejde med forskere ved University of California i San Francisco og University of Massachusetts Medical School har vist, at hvis dette afgrænsende protein fjernes, grænserne mellem kvarterer forsvinder, at tillade gener i et kvarter at tale med regulatoriske elementer, de ikke burde tale med i et andet kvarter, og fører til fejlregulering af gener i cellen.

"Cohesin er centralt for genregulering, og vi understreger, at dette er en motorisk funktion, så det er ikke kun, at de (gener og deres regulatoriske elementer) finder hinanden et tilfældigt sted i rummet, men de blev bragt sammen af ​​denne motoriske aktivitet, " siger Mirny.

Denne artikel giver vigtig ny molekylær indsigt i de mekanismer, hvorved celler folder deres kromosomer, ifølge Dekker, som ikke var involveret i den aktuelle undersøgelse.

"I dette arbejde kombinerer Mirny og Spitz laboratorier musemodeller med genomiske tilgange til at studere kromosomfoldning for at afsløre, at maskinen, der indlæser cohesinkomplekset, er kritisk for TAD-dannelse, " siger Dekker. "Fra denne og en anden tidligere undersøgelse, en molekylær mekanisme kommer til syne, hvor TAD'er dannes ved cohesin og Nipbl-afhængig chromatin loop ekstrudering, som er blokeret af websteder bundet af CTCF."

Forskerne forsøger nu at karakterisere, hvordan fraværet af den molekylære motor ville påvirke genreguleringen. De udfører også computersimuleringer i et forsøg på at bestemme, hvordan den cohesin-baserede loop-ekstrudering finder sted samtidig med, at genomet gennemgår den uafhængige proces med at adskille sig i aktive og inaktive rum.

"Det er ligesom to pianister, der spiller på det samme klaver, " siger Nezar Abdennur, en ph.d.-studerende i Mirny-laboratoriet, som deltog i undersøgelsen sammen med ph.d.-kollegaen Anton Goloborodko. "De blander sig og sætter begrænsninger på hinanden, men sammen kan de producere et smukt stykke musik."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.