Die überraschende Partnerschaft des Linker-Histons mit einzelsträngiger DNA

Um Ordnung in den engen Vierteln des Zellkerns zu halten, wird unsere DNA ordentlich um eine zentrale Scheibe durch das H1-Linker-Histon geklemmt, das dabei hilft, die DNA in die ordentlichen Chromatinfasern zu leiten, aus denen die Chromosomen bestehen. Linker-Histon ist jedoch weit mehr als nur ein Proteinclip. Ohne ausreichend H1 gerät der Prozess der Gentranskription ins Stocken und der komplizierte Tanz der DNA-Reparatur kommt zum Erliegen. Das bescheidene Linker-Histon, das unscheinbar auf unseren Nukleosomen thront, scheint irgendwie mehrere Prozesse durchzuführen, die für die Aufrechterhaltung des Genoms von zentraler Bedeutung sind.

Jetzt eine neue Studie in Natur Struktur- und Molekularbiologie schlägt vor, dass Linker-Histon zwischen verschiedenen Formen von Nukleinsäuren unterscheiden kann, mit einer klaren Präferenz für die Bildung von Kondensaten mit einzelsträngiger DNA gegenüber doppelsträngiger DNA. Dieses Unterscheidungsmerkmal liefert noch mehr Beweise dafür, dass die Rolle von H1 weit über die der Chromatinverdichtung hinausgeht, und kann helfen, den Beitrag des Proteins zur DNA-Reparatur und einer Reihe menschlicher Krankheiten zu erklären.

„Dies verändert das Paradigma der H1-Funktion in der Zelle und bietet eine neue Perspektive für das Verständnis verschiedener H1-Varianten und krankheitsassoziierter Mutationen“, sagt Shixin Liu von Rockefeller, Leiter des Labors für Biophysik und Biochemie im Nanomaßstab.

Wissenschaftler haben lange vermutet, dass Linker-Histone eine Schlüsselrolle in mehreren genomischen Prozessen spielen. Neben dem Beweis, dass H1 an der DNA-Reparatur und -Transkription beteiligt ist, impliziert die Existenz vieler verschiedener Arten von Linker-Histonen in unseren Zellen eine erweiterte Rolle für das Protein. „Wir bräuchten nicht 11 verschiedene Subtypen von Linker-Histonen, wenn ihre Rolle rein strukturell wäre“, sagt Rachel Leicher, eine ehemalige Doktorandin in Lius Labor, die die Studie zusammen mit einer von Lius derzeitigen Doktoranden, Gabriella Chua, leitete.

Motiviert durch diesen Verdacht bildeten Liu, Leicher und Chua eine Zusammenarbeit mit einem Team des Memorial Sloan Kettering Cancer Center unter der Leitung von Yael David, die Pionierarbeit bei der Reinigung rekombinanter Linker-Histonproteine ​​leistete. Sie stützten sich auf das Fachgebiet des Labors, den Nachweis und die Manipulation von Einzelmolekülen, um aus nächster Nähe zu untersuchen, wie H1 mit DNA interagiert.

Durch Ziehen doppelsträngiger DNA zwischen fokussierten Laserstrahlen, die als optische Pinzetten bekannt sind, streckten Liu und Kollegen eine Probe, bis Teile davon zu einzelsträngiger DNA verschmolzen. Linker-Histon überschwemmte zu ihrer Überraschung die einzelsträngige Region. Weitere Untersuchungen zeigten, dass sich H1 und einzelsträngige DNA zu einem viskosen, gelartigen Tröpfchen ansammeln, das sich von dem flüssigeren Tröpfchen unterscheidet, das entsteht, wenn H1 widerwillig um doppelsträngige DNA herum zusammenfließt. Und begleitende Computersimulationen, die von Bin Zhangs Labor am MIT durchgeführt wurden, sowie zelluläre Bildgebung der Funktionsweise von Linker-Histonen im Zellkern, die vom David-Labor durchgeführt wurden, stimmten mit den In-vitro-Ergebnissen des Liu-Labors überein.

„Wir sind nicht auf diese Hypothese eingegangen – wir gingen davon aus, dass H1 nur mit doppelsträngiger DNA und Nukleosomen interagieren würde“, sagt Leicher. „Aber als wir DNA gedehnt haben, haben wir zufällig die Ansammlung von H1 um die Teile des Moleküls beobachtet, die in Einzelstränge aufgetaucht waren. Da haben wir festgestellt, dass H1 nicht nur einzelsträngige DNA bindet, sondern es auch besser mag als doppelsträngige.“ DNS.“

Da ein Merkmal von DNA-Schäden der Abbau von Doppelsträngen in ausgefranste Einzelstränge ist, passen die Ergebnisse gut zu der vorgeschlagenen Rolle von H1 bei der DNA-Reparatur. Wenn H1 an der Reaktion auf DNA-Schäden beteiligt ist, würde man erwarten, dass es eine besondere Affinität für einzelsträngige DNA zeigt. Die aktuelle Studie konzentrierte sich auf einen bestimmten H1-Subtyp, der ebenfalls am häufigsten vorkommt. Zukünftige Studien werden untersuchen, wie die anderen Linker-Histon-Subtypen mit beschädigter DNA interagieren, und weiterhin von der optischen Pinzettentechnik profitieren, die es dem Labor ermöglichte, die Materialeigenschaften von molekularen Kondensaten auf eine Weise zu untersuchen, die mit herkömmlichen Techniken nicht möglich ist.

Langfristig könnte ein besseres Verständnis des Linker-Histons die Erforschung mehrerer Krebsarten im Zusammenhang mit H1-Mutationen unterstützen. „Unsere Arbeit eröffnet einen neuen Weg, um über die Funktion von Linker-Histon nachzudenken“, sagt Liu. „Es ist nicht nur ein architektonischer Faktor, sondern ein Protein, das eine vielfältige und dynamische Rolle spielt. Und da wir wissen, dass H1-Mutationen einige Krebsarten auslösen können, sind wir besonders daran interessiert zu untersuchen, wie Linker-Histone die Genomstabilität und Genexpression beeinflussen.“