Computersimuleringer visualiserer, hvordan et essentielt stamcelleprotein åbner indpakket DNA

Et nøgleprotein til at omdanne voksne stamceller til celler, der ligner embryonale stamceller, er blevet visualiseret i hidtil usete detaljer af et internationalt team af forskere omkring Hans Schöler og Vlad Cojocaru fra Max Planck Institute for Molecular Biomedicine i Münster. Ved at kombinere eksperimenter og computersimuleringer visualiserede holdet, hvordan Oct4-proteinet binder og åbner korte stykker DNA, mens det er pakket rundt om nukleare lagringsproteiner (histoner), ligesom i vores genom. Resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet Nucleic Acids Research den 22. september.

Voksne celler kan omdannes til embryonale stamcelle-lignende celler (inducerede pluripotente celler, iPSC'er) ved hjælp af en cocktail af kun fire proteiner. I de senere år har denne cellulære omprogrammeringsteknologi bidraget enormt til sygdomsmodellering, lægemiddeludvikling og celleudskiftningsterapier. Men mange spørgsmål om de molekylære mekanismer i denne omdannelse forbliver ubesvarede. For eksempel er et væsentligt trin åbningen af ​​DNA i de celler, der skal omdannes. Hver af vores celler indeholder omkring to meter DNA pakket i en struktur kendt som kromatin. I kromatin er DNA'et tæt pakket omkring histoner i gentagne strukturelle enheder kendt som nukleosomer. Så hvordan åbner disse fire proteiner DNA'et, når de udtrykkes i voksne celler?

4. oktober:En pioner-regulator af pluripotente stamceller

Tre af de fire proteiner blev beskrevet som værende banebrydende transkriptionsfaktorer, hvilket betyder, at de binder til specifikke DNA-sekvenser, mens de er pakket ind i nukleosomer og har kapacitet til direkte eller indirekte at åbne kromatin. Blandt de tre skiller Oct4 sig ud, fordi det er afgørende for vedligeholdelsen af ​​embryonale stamceller af forskellige arter og for omprogrammering af menneskelige celler. Oct4 blev opdaget i slutningen af ​​80'erne af Hans Schöler på omtrent samme tid som to andre laboratorier og er den eneste uerstattelige faktor i Shinya Yamanakas Nobelprisvindende cocktail for omprogrammering af voksne celler til pluripotente celler. For omkring 10 år siden beskrev Abdenour Soufi og Ken Zaret regioner af pakket DNA, der er bundet af oktober 4 i de tidlige stadier af omprogrammering.

Caitlin MacCarthy, en postdoc i Hans Schölers gruppe og en af ​​hovedforfatterne til undersøgelsen, leverede vådlab-eksperimenterne. MacCarthy reflekterer over sit arbejde og forklarer:"Eksperimenterne var mere udfordrende, end vi havde forventet. At arbejde med genomiske eller native nukleosomer bliver ret teknisk, fordi de er meget dynamiske, i modsætning til konstruerede sekvenser, der er mere stabile. Alligevel var vi i stand til at vise præcist, hvor 4. okt binder til dem." Så hvad sker der, når Oct4 binder nukleosomer?

Computational nanoscope

For at besvare dette leverede Jan Huertas, også en hovedforfatter af undersøgelsen, de simuleringer, som han udførte under sin ph.d. studier på MPI Münster. Han og Vlad Cojocaru brugte det beregningsmæssige nanoskop til at visualisere, hvordan Oct4 binder sig til nukleosomer og påvirker deres struktur. Udtrykket computational nanoscope bruges af forskere til at henvise til et sæt computersimuleringsmetoder, der gør dem i stand til at visualisere molekylers bevægelser over tid.

Nøjagtigheden af ​​disse metoder er nu så høj, at man kan forestille sig at observere molekylerne under et mikroskop med meget høj opløsning. Nukleosomer er, ligesom alle makromolekylære strukturer i vores celler, dynamiske. De bevæger sig, vrider sig, trækker vejret, pakker sig ud og vikler sig igen. Det er ofte umuligt at visualisere disse bevægelser i eksperimenter. Huertas forklarer:"Det er så fantastisk at kunne se disse store molekylære strukturer med alle deres atomer bevæge sig på computeren og vide, at det, du ser, er meget tæt på, hvad der rent faktisk sker."

4. oktober åbner nukleosomer

I realtidsfilmene af Oct4-nukleosomkomplekser, de genererede, som hver viser 1 til 3 mikrosekunder af kompleksets levetid, observerede Huertas og Cojocaru, hvordan Oct4 er i stand til at åbne nukleosomerne. De beskrev i atomare detaljer mekanismerne for denne åbning ved at sammenligne bevægelser af frie og Oct4-bundne nukleosomer.

Interessant nok afhang åbningen af ​​positionen af ​​DNA-sekvensen genkendt af Oct4 på nukleosomet og af mobiliteten af ​​terminale fleksible områder af histonerne, kendt som histonhaler.

Mod forståelse af pionerfaktorer og celleskæbnekonverteringer

Forskerne er begejstrede for implikationerne af deres arbejde og fremtidsperspektiv. Cojocaru, nu en førende forsker ved Babeş-Bolyai-Universitetet, der også har ansættelser som seniorforsker ved Utrecht University, og gæsteforsker ved MPI Münster siger:"Vi viser her for første gang i atomare detaljer, ikke kun hvordan Oct4 binder til forskellige nukleosomer, men også hvordan Oct4-binding sammen med histonhalerne påvirker den strukturelle fleksibilitet af disse nukleosomer."

MacCarthy tilføjer, at "fordi histonhalerne, ligesom pionerfaktorer, også er nøgleregulatorer for genekspression. Mens pionerfaktorer binder til DNA for at åbne kromatin og aktivere gener, bærer histonhalerne kemiske modifikationer, som definerer regionerne af åben kromatin, hvorfra generne kan udtrykkes."

Huertas forklarer videre, at "indtil nu har det været et mysterium, hvordan histonhaler påvirker pionerfaktorers evne til at binde og åbne nukleosomer. Vores arbejde baner vejen for fremtidige studier af andre pionerfaktorer, hvoraf mange er nøglen til cellulære transformationer, herunder celleskæbnekonverteringer og kræft."

Cojocaru siger:"Den mekanisme, vi beskriver her, udfylder et videnshul i forståelsen af, hvordan faktorer som Oct4 inducerer celleskæbneovergange. Forståelse af disse mekanismer vil i sidste ende give midler til at optimere og kontrollere sådanne overgange til vellykket brug i terapier. Og computersimuleringer vil blive i hjertet af disse fremtidige opdagelser." + Udforsk yderligere

Computersimuleringer visualiserer, hvordan DNA genkendes for at omdanne celler til stamceller