Forskere bruger DNA-baserede nano-pincet til at måle kræfterne mellem nukleosomer

Pakningsmåden af ​​det genomiske DNA i cellekernen bestemmer mønstre for genekspression. München-forskere har brugt DNA-baserede nano-pincet til at måle kræfterne mellem nukleosomer, de grundlæggende pakkeenheder af nuklear DNA.

Hver menneskelig celle indeholder omkring to meter deoxyribonukleinsyre (DNA), som koder for den genetiske information, der specificerer de cellulære strukturer og funktioner. I øvrigt, dette "genomiske" DNA er pakket ind i cellekernen, som er mindre end 10 mikrometer i diameter. Det betyder, at det nukleare DNA skal pakkes, primært ved at interagere med specifikke proteiner. Den grundlæggende pakkeenhed er en partikel lavet af proteiner kaldet histoner, som DNA'et er viklet rundt om. Sammenlignet med små spoler, disse strukturer omtales som nukleosomer. Nukleosomer er igen forbundet med hinanden af ​​DNA-segmenter, der strækker sig mellem kernepartiklerne og ikke er viklet omkring dem. Set under elektronmikroskopet, DNA'et pakket i nukleosomer ligner perler på en snor.

Det næste niveau af emballering involverer den gensidige interaktion mellem nukleosomer, og de resulterende højere ordens strukturer er endnu ikke blevet fuldstændig karakteriseret. Et team af forskere ledet af Hendrik Dietz fra Münchens Tekniske Universitet og Philipp Korber ved LMU's Biomedicinske Center har nu taget et væsentligt skridt i retning af at løse dette puslespil:For første gang nogensinde, det er lykkedes dem direkte at måle de tiltrækningskræfter, der virker mellem nukleosomer. Deres resultater vises i journalerne Videnskabens fremskridt og Nano bogstaver .

DNA-origami:Integrering af nukleosomer i pincet

Dietz, indehaver af stolen for eksperimentel biofysik ved TUM, bruger DNA som et byggemateriale til at bygge molekylære strukturer - en teknologi, der omtales som DNA-origami. Han og hans team har nu brugt metoden til at skabe strukturer bestående af to stive DNA-stænger forbundet med et fleksibelt led, der fungerer som en fjeder. Disse kan bruges som en pincet til at måle styrken af ​​interaktionerne mellem nukleosomer. Et nukleosom er knyttet til hver arm af pincet. "Vi kan styre positionen og orienteringen af ​​nukleosomerne i DNA-pincetten med en meget høj grad af præcision, " siger Dietz. "Dette er meget vigtigt, når det kommer til virkelig at kunne måle interaktionerne."

LMU-forskerne påtog sig opgaven med at udvikle nukleosomstrukturer, der kan integreres i pincetten. Philipp Korber, Privatdozent og gruppeleder ved Chair of Molecular Biology ved BMC, forklarer:"Normalt er de to dobbeltstrengede ender af DNA'et, der er spolet omkring nukleosomet, meget tæt på hinanden. Men det, vi havde brug for, var to udragende enkeltstrenge, tættere på midten. Dette var et væsentligt problem, da en sådan konfiguration kan destabilisere hele strukturen. Vores teammedlem Corinna Lieleg lykkedes ikke desto mindre med at finde de rigtige steder til disse håndtag."

Forskerne var i stand til at måle en meget svag interaktion mellem integrerede nukleosomer, svarende til en tiltrækningskraft på 1,6 kcal/mol, i et område på ca. 6 nanometer (nm). Orienteringerne af nukleosomerne i forhold til hinanden viste sig at have næppe nogen effekt. Imidlertid, særlige kemiske modifikationer i histonproteinerne svækkede interaktionerne yderligere.

Problemet med 30-nm fiber

Resultatet kunne hjælpe med at løse en aktuel videnskabelig strid. Ifølge den nuværende teori, nukleosomer danner en type superspiral med en diameter på 30 nanometer, den såkaldte 30-nm fiber. Indtil nu, imidlertid, denne højere ordens 30-nm struktur er aldrig blevet observeret i levende celler. Hvorvidt kromatinen virkelig tager form af sådan en superspiral eller ej, er stadig meget kontroversielt. Ja, de minimale tiltrækningskræfter mellem nukleosomerne, som forskerne nu med succes har målt, synes at modsige teorien. "Vores data peger på meget bløde strukturer, der let deformeres af ydre påvirkninger, " siger Dietz.

Hvordan nukleosomer er organiseret i højere ordens strukturer er et fundamentalt vigtigt spørgsmål, da det har dybtgående implikationer for kontrollen af ​​genekspression. Kun de gener, der ligger i relativt ikke-kompakt kromatin, er tilgængelige for 'aktivering', som gør det muligt at producere de proteiner, de koder for, af det cellulære maskineri.

Genregulering gennem DNA-pakning går skævt i kræftceller

"I løbet af de sidste ti år er det blevet klart, at mange af de ændringer og mutationer, der omdanner celler til kræftceller, finder sted på dette niveau, " siger Korber. I en kræftcelle, de normale mekanismer, der bestemmer hvilke gener der er aktive og hvilke der er inaktive, forstyrres. Genomiske regioner, som ikke burde være tilgængelige, efterlades åbne og omvendt. "Imidlertid, hvis kun emballagen er defekt, og ikke selve genet, det burde i princippet være muligt at genoprette den korrekte emballage igen."

Forskerne planlægger at bruge den molekylære pincet-teknik til at undersøge andre strukturer. "I biologi er orienteringen af ​​strukturer i forhold til hinanden altid vigtig, " siger Korber. "Nu har vi en slags molekylær klemme, som vi kan bruge til specifikt at kontrollere den rumlige orientering af strukturer til hinanden."