Undersøgelse finder, at genomsløjfer ikke varer længe i celler:Teorier om, hvordan kontrolgenekspression muligvis skal revideres

En ny undersøgelse ledet af forskere ved University of California, San Diego, har ændret nuværende modeller for, hvordan genomet er organiseret inde i celler. Undersøgelsen, der blev offentliggjort 23. februar 2023 i *Molecular Cell*, finder ud af, at sløjfer af DNA ikke fortsætter over tid som tidligere antaget, men i stedet skilles ad og samles hurtigt.

Forskerne udviklede en beregningsmæssig pipeline, der integrerer og analyserer enkeltcelle-billeddannelse, mikroskopidata og andre genom-dækkende datasæt. De kaldte tilgangen COLA (CO-localization and Looping Analysis). COLA finder DNA-looping-hændelser i superopløsningsmikroskopibilleder og forbinder dem med aktivitetsudlæsninger målt på tværs af genomet, som RNA-polymerasebinding.

Ved hjælp af COLA undersøgte holdet looping-begivenheder ved fire genomiske loci, der er kendt for at interagere på lang afstand. Overraskende nok fandt de ud af, at individuelle sløjfer sjældent holder længere end et par minutter, og mange er meget dynamiske og gennemgår hurtig montering og adskillelse. Disse resultater udfordrer den fremherskende opfattelse, at genomiske kontakter afspejler stabile, vedvarende kromatinstrukturer, der opretholder transkriptionelle programmer. I stedet foreslår holdet en model, hvor loops er forbigående og kun dannes forbigående som svar på specifikke regulatoriske signaler.

"Sløjfer er overalt i cellerne, men de er meget mere forbigående, end nogen tidligere har forstået," sagde co-senior forfatter Gene Yeo, PhD, professor i cellulær og molekylær medicin og direktør for Center for RNA Biology ved UC San Diego School af medicin. "Vores resultater omstøder antagelsen om, at disse sløjfer er fastkablede funktioner, der er fastkablet og indebærer, at sløjfedannelse er dynamisk reguleret."

Hvordan celler læser genomet for at lave funktionelle produkter

Celler skal nøje regulere, hvordan de læser instruktioner fra deres genomer for at producere funktionelle produkter, såsom proteiner, der udfører forskellige cellulære funktioner. Den måde, celler pakker, arrangerer og folder deres genom i tre dimensioner, spiller en afgørende rolle i genregulering. Disse organisatoriske principper bestemmer, hvilke segmenter af DNA der tilgås og fortolkes af det cellulære maskineri, der er ansvarligt for at læse og transskribere gener.

Den mest fundamentale enhed for genomfoldning involverer looping, hvor fjerne områder af DNA fysisk kommer i kontakt med hinanden for at hjælpe med at orkestrere genekspression. Loops menes at samle proteiner, der driver genekspression, hvilket giver dem mulighed for at interagere og udføre deres funktioner effektivt.

COLA belyser den dynamiske karakter af DNA-løkker

COLA-tilgangen gør det muligt for forskere at visualisere loops og andre genomiske træk samtidigt, og fange rumlige og tidsmæssige forhold i hidtil uset detaljer. "Vi har nu en metode, der direkte kan korrelere ændringer i RNA-polymerasebelægning med specifikke løkkeændringer i enkelte celler," sagde medforfatter Michael Niculescu III, en kandidatstuderende i Yeo Lab.

Forskerne siger, at deres resultater har brede implikationer for forståelsen af ​​genekspression og genomorganisation. For eksempel antyder de, at den dynamiske og fluktuerende karakter af loops kunne tillade celler at reagere hurtigt på miljøændringer eller udviklingsmæssige tegn. I cancer og neurodegenerative sygdomme kan denne fleksibilitet også give celler mulighed for at skifte celleidentitet og omprogrammere genekspressionsprogrammer.

"Der er meget, vi nu kan gøre med dette værktøj," sagde medforfatter Matthew Huynh, en postdoc-stipendiat i Yeo Lab. "Vi kan teste nye hypoteser og undersøge sygdomsrelaterede reguleringsændringer på måder, vi ikke kunne før."

Yderligere medforfattere

Yderligere medforfattere til denne undersøgelse er:Yuzuru Kido, UC San Diego; James McGinnis, UC San Diego; og Nicholas Ingolia, UC Berkeley.

Denne forskning blev delvist finansieret af National Institutes of Health (R35 GM143669, T32 GM007240), National Science Foundation (MCB-2110538), Simons Foundation (540333) og Ludwig Institute for Cancer Research.