Ikke så anderledes trods alt:menneskelige celler, hårdføre mikrober deler fælles forfader

Til Tom Santangelo, encellede mikroorganismer kaldet archaea er som gamle søfolk, overlever blandt de mest ekstreme forhold på jorden, herunder vulkanske åbninger i det dybe hav.

Colorado State University-forskeren studerer, hvordan disse hårdføre mikrober - som udgør et af tre overlevende livsdomæner - udtrykker deres gener, producere deres energi, og trives i varme, lysløse miljøer.

Det viser sig, vi er ikke så forskellige - biokemisk, alligevel – fra archaea trods alt.

Santangelo, lektor ved Institut for Biokemi og Molekylærbiologi, var på et hold, der fandt slående paralleller mellem, hvordan arkæale celler og mere komplekse celler, herunder mennesker og dyr, pakke og opbevare deres arvemateriale. Gennembrudsundersøgelsen, offentliggjort i Science tidligere i år, fremlagt bevis for, at archaea og eukaryote celler deler en fælles mekanisme til at komprimere, organisere og strukturere deres genomer.

Undersøgelsen blev ledet af Karolin Luger, nu en strukturel biolog ved University of Colorado Boulder. De fleste af resultaterne rapporteret i Science blev afsluttet, mens Luger var medlem af CSU-fakultetet, fra 1999 til 2015.

DNA, histoner, nukleosomer, kromatin

Lidt biogennemgang fra gymnasiet:Eukaryoter er celler med en kerne og membranbundne organeller, og de inkluderer svampe, plante- og dyreceller – herunder menneskelige – celler. De er adskilt fra deres mindre komplekse modparter, prokaryoter, ved fravær af en kerne. Mens arkæer og bakterier begge er prokaryoter, de er kun fjernt beslægtede. Archaea er de sandsynlige forfædre til eukaryoter og deler mange af de samme proteiner, der styrer genekspression.

En af livets mest fundamentale processer – mekanikken, hvorved DNA bøjes, folder og propper sig ind i en cellekerne – er almindeligt for alle eukaryoter, fra mikroskopiske protister til planter til mennesker.

Pakket inde i kernen af ​​hver eukaryot celle er flere meter genetisk materiale, der er komprimeret på en meget specifik måde. Små dele af DNA er pakket ind, som tråd omkring en spole, cirka to gange omkring otte små proteiner kaldet histoner. Hele dette DNA-histonkompleks kaldes et nukleosom, og en række komprimerede nukleosomer kaldes kromatin. I 1997, Luger og kolleger rapporterede først den nøjagtige struktur af eukaryote nukleosomer via røntgenkrystallografi.

'Gnarly' krystallografi

Science paper-samarbejdspartner John Reeve havde opdaget i 1990'erne, at histonproteiner ikke var begrænset til eukaryoter, men blev også fundet i kernefri archaea-celler. Reeves og Luger indledte et samarbejde for at krystallisere histonbaseret arkeal kromatin og sammenligne denne struktur med eukaryot kromatin.

Efter mange års stop og start og problemer med at dyrke pålidelige hista -krystaller af arkaeal - Luger kaldte det et "gnarly krystallografisk problem" - lykkedes det forskerne at løse strukturen af ​​archeal kromatin, afslører dens strukturelle lighed med eukaryoter.

'Biologisk meningsfuld' struktur

I data, det arkæiske DNA syntes at danne sig langt, kurvede, gentagne superhelices. Forskerne var ikke sikre på, om strukturen var ægte, eller en artefakt af eksperimentet. Det var her Santagelos team hos CSU leverede nøgleekspertise.

"Min gruppe tog udfordringen op med at afgøre, om strukturen opløst i krystallerne repræsenterede en biologisk meningsfuld struktur, " han sagde.

Santangelos team lavede varianter af de arkæiske histoner og testede, hvordan cellerne klarede sig, da de forstyrrede DNA-superhelixen. De fandt ud af, at jo mere de destabiliserede strukturen, jo sygere blev cellerne. Deres indsats understregede fordelene ved den struktur, Lugers gruppe havde fastlagt.

At være en del af et team, der gav en så grundlæggende indsigt som forfædren til vores celler, var blandt de mest givende øjeblikke i Santangelos karriere.

"Avisens største effekt, Jeg tror, er, at ideen om at komprimere DNA i disse strukturer er en meget gammel idé - sandsynligvis mere end 1 milliard år gammel, " sagde Santangelo. "Histonproteiner kom på banen, og når de først kom ind i og begyndte at pakke genomer, de gjorde sig stort set uundværlige for de celler, der kodede dem. "

Santangelo vil fortsætte med at udføre undersøgelser af strukturen, funktion og energitransaktioner af archaea - de gamle søfolk, der nu definitivt repræsenterer en forfædres prototype af menneskelig cellulær aktivitet.