UNIVERSITY PARK, Pensylwania — Nowe spojrzenie na białka zwane „czynnikami pionierskimi” pomaga wyjaśnić ich niezwykłą zdolność do otwierania typowo gęstego materiału genetycznego w naszych komórkach. Takie zachowanie sprawia, że ​​materiał genetyczny jest dostępny dla białek biorących udział w ważnych procesach komórkowych, takich jak replikacja i naprawa DNA, ekspresja genów i tworzenie białek. W badaniu przeprowadzonym przez zespół naukowców z Penn State i Ohio State University wykorzystano unikalną kombinację biologii strukturalnej, biofizyki i biologii komórki, aby zrozumieć, w jaki sposób te „główne regulatory” genomu oddziałują z nukleosomami – podstawową jednostką genomu we wszystkich komórkach eukariotycznych, od drożdży po ludzi.

DNA w jądrze komórkowym jest na ogół owinięte wokół białek zwanych histonami i upakowane w gęste kompleksy zwane nukleosomami. Nukleosomy, które przypominają kulki na łańcuchu DNA, są dalej upakowane razem, tworząc chromatynę, która następnie tworzy chromosomy.

„Nukleosomy stanowią barierę dla wielu białek, które łączą się z chromatyną, ale czynniki pionierskie mają specjalną właściwość, że mogą wtargnąć do nukleosomu i wygenerować otwarte regiony, do których dostęp mają inne czynniki” – powiedział Lu Bai, profesor biochemii i biologii molekularnej oraz fizyki w Penn State i jednym z liderów zespołu badawczego. „Z tego powodu czasami uważa się je za„ główne regulatory ”genów. W tym badaniu zastosowaliśmy kombinację podejść, aby lepiej zrozumieć, w jaki sposób pionierskie czynniki mogą zaatakować nukleosom”.

Badanie ukazało się w numerze czasopisma Molecular Cell z 20 kwietnia.

Czynniki pionierskie to rodzaj czynników transkrypcyjnych — białek o kluczowym znaczeniu dla procesu transkrypcji, w którym DNA jest kopiowane do schematów RNA w celu tworzenia białek. Podczas gdy wiele czynników transkrypcyjnych może wiązać się z nukleosomem, większość z nich odpada bardzo szybko. Natomiast czynniki pionierskie mają tak zwany „mechanizm kompensacji dysocjacji”, który pozwala im pozostać stabilnie związanym z nukleosomem przez dłuższy czas.

Zespół badawczy porównał pionierski czynnik o nazwie Cbf1 i nie-pionierski czynnik transkrypcyjny o nazwie Pho4 w pączkujących drożdżach. Te dwa białka mają podobne ogólne struktury i zdolność rozpoznawania tych samych sekwencji DNA, ale zachowują się inaczej wokół nukleosomu. Wykorzystując czułą technikę obrazowania zwaną mikroskopią krioelektronową, naukowcy zidentyfikowali strukturę pionierskiego czynnika, która ich zdaniem przyczynia się do jego zdolności do inwazji na nukleosom.

„W oparciu o naszą strukturę mikroskopii krioelektronowej, Cbf1 oddziałuje nie tylko z częścią DNA nukleosomu, ale także z histonami w nukleosomie poprzez jego region helisa-pętla-helisa” – powiedział Song Tan, Verne M. Willaman profesor biologii molekularnej w Penn State i jeden z liderów zespołu badawczego. „Podejrzewamy, że ta interakcja pomaga zapobiegać tak szybkiej dysocjacji Cbf1, jak czynniki niebędące pionierami”.

Aby potwierdzić rolę regionu helisa-pętla-helisa, zespół badawczy stworzył „chimery” każdego z białek, usuwając helisę-pętlę-helisę z czynnika pionierskiego i dodając jeden do nie-pionierskiego czynnika transkrypcyjnego. Następnie mierzą, jak szybko te chimery oddzieliły się od nukleosomu.

„Usunięcie helisy-pętli-helisy z czynnika pionierskiego spowodowało szybszą dysocjację, co skutkowało zmniejszonym zjawiskiem kompensacji dysocjacji i dramatycznie mniej efektywnym czynnikiem pionierskim” – powiedział Michael Poirier, profesor i kierownik fizyki w Ohio State i jeden z liderów zespołu badawczego. „Zdumiewające, dodanie regionu helisa-pętla-helisa nadało właściwości czynnika pionierskiego czynnikowi niepionierskiemu”.

Aby dodatkowo potwierdzić swoje wyniki, naukowcy zbadali, w jaki sposób te chimery funkcjonują w żywych komórkach drożdży. Odkryli, że czynnik pionierski i niepionierska chimera zmodyfikowane tak, by zachowywały się jak czynnik pionierski, zarówno ułatwiły inwazję, jak i otwarcie nukleosomu. Wyniki te łącznie pomagają wyjaśnić, w jaki sposób pionierskie czynniki, takie jak Cbf1, mogą uzyskać dostęp do nukleosomu i zwiększyć dostępność DNA dla innych czynników.

„To badanie nie byłoby możliwe bez połączenia wiedzy naszych trzech oddzielnych grup” — powiedział Tan. biologia komórkowa vivo. To była cudownie synergiczna współpraca, która zaowocowała pomysłami i wynikami, które nie zostałyby wygenerowane przez jedną lub nawet dwie z naszych grup samodzielnie. Kontynuujemy tę współpracę, aby zbadać interakcje innych pionierskich czynników i nukleosomu”.

Oprócz Tan i Bai, zespół badawczy w Centrum Regulacji Genów Eukariotycznych w Penn State obejmuje doktoranta Hengye Chen i doktora habilitowanego w czasie badań Priit Eek. Oprócz Poiriera w skład zespołu badawczego w Ohio State wchodzą Benjamin Donavan, Zhiyuan Meng i Caroline Jipa. Prace te były wspierane przez amerykańskie Narodowe Instytuty Zdrowia, Estońską Radę ds. Badań Naukowych oraz amerykańską Narodową Fundację Nauki.