Forscher entdecken einen Weg, um Veränderungen der Chromatin-Interaktion bei krebsassoziierten genetischen Mutationen zu beobachten

Das Studium der Mikrobiologie einer beliebigen Entität, sei es eines Moleküls oder eines Delfins, bedeutet im Idealfall, das Ausgangsmaterial so nah wie möglich ins Rampenlicht zu rücken. Das kann besonders herausfordernd sein, wenn Sie die Rube-Goldberg-Umgebung eines Zellkerns untersuchen.

Aber in Forschungsergebnissen, die diese Woche in veröffentlicht wurden NaturPrinceton-Chemiker des Muir Lab und des MacMillan Lab verwendeten zwei Festzelttechnologien, um ein Licht genau dorthin zu bringen, wo sie es wollten.

Dabei entdeckten sie kritische, unerwartete Veränderungen in den Wechselwirkungen rund um einen DNA-Protein-Komplex namens Chromatin – im Wesentlichen eine Architektur, die die Verdichtung von DNA ermöglicht – in Gegenwart von genetischen Mutationen, die häufig mit Krebs in Verbindung gebracht werden.

Wechselwirkungen zwischen Biomolekülen steuern jede biologische Funktion. Die Kartierung ihrer Aktivität führt zu einem tieferen Verständnis des Zellschicksals. Daher kombinierten die Forscher die Stärken von µMap, dem vor drei Jahren eingeführten Proximity-Labeling-System des MacMillan Lab, mit In-Nucleo-Protein-Trans-Splicing, einer 2016 eingeführten Protein-Engineering-Technologie seitdem vom Muir Lab optimiert.

„Der ganze Sinn von µMap besteht darin, die Biologie im weitesten Sinne auf eine Weise zu verstehen, die Sie vorher nicht konnten, weil µMap Ihnen so unglaublich präzise Informationen liefert. Diese Forschung ist ein Beispiel dafür, genau das zu tun“, sagte David MacMillan, der James S McDonnell Distinguished University Professor of Chemistry und Empfänger des Nobelpreises für Chemie 2021.

„Mit dieser Forschung haben wir gesehen, dass die Biologie aufgrund dieser Mutationen passiert“, sagte er. „Das war vorher nicht zu sehen, also fuhren wir im Dunkeln. Es ist ein weiteres Stück in dieser ganzen Wand, ein Baustein dessen, was µMap leisten kann. Es ist immer noch nur der Anfang, aber dies ist eine echte Zusammenarbeit.“ “

Die Kombination dieser Technologien ermöglichte es den Forschern, einen Iridium-Photokatalysator an ein interessierendes Protein zu binden, um diese winzigen Wechselwirkungen zu untersuchen und wie sie sich bei Vorhandensein von Mutationen verändern – alles ohne die komplexe Mikroumgebung im Zellkern zu beeinträchtigen.

Der Photokatalysator hob einen Fokusradius hervor, der nur ein Nukleosom breit war, und ermöglichte es den Forschern, mit beispielloser Spezifität in diese Mikroumgebung zu blicken.

„So viele Dinge in der Biologie und bei Krankheiten hängen davon ab, wie sich Chromatin bewegt und verändert“, sagte Ciaran Seath, ein ehemaliger Postdoc im MacMillan Lab und Co-Hauptautor des Artikels mit Antony Burton, einem ehemaligen Postdoc im Muir Lab. „Viren, Alterung, Krebs, all die Dinge, die wir uns angesehen haben, verändern die Art und Weise, wie Chromatin sich bewegen und reagieren kann. Wir dachten, wenn Sie das beobachten könnten, könnten Sie auf modulare Weise etwas über all diese verschiedenen Probleme lernen.

„Manchmal kann man nicht alle anderen Dinge sehen oder vorhersagen, die wahrscheinlich in der Maschine des Kerns passieren werden. Jetzt, da wir diese Werkzeuge gepaart haben, können wir diese unvorhergesehenen Folgen messen. Es ist, als würde man einen Punkt auf einem Spinnennetz berühren, “ er sagte. „Man kann sehen, wie sich das Ganze bewegt.“

Burton fügte hinzu: „Was Ihnen die Synergie dieser Technologien auf minimal störende Weise bringt, ist die Möglichkeit, einen kleinen Katalysator auf einem interessierenden Protein zu installieren und dann zu kartieren, was sich in der Nähe befindet. Wir konnten Proteinwechselwirkungen und komplexe, nachgeschaltete Effekte beleuchten auf einer Detailebene, die mit anderen Methoden sehr schwer zu erreichen ist.

„Am wichtigsten ist, dass wir aufzeichnen können, wie sich diese in Abhängigkeit von Mutationen oder medikamentöser Behandlung verändern, was Möglichkeiten für die akademische und industrielle Anwendung bietet.“

Die Forschung wurde von Seath verfasst, jetzt Assistenzprofessor für Chemie am Herbert Wertheim UF Scripps Institute for Biomedical Innovation & Technology in Jupiter, Florida; Burton, jetzt leitender Wissenschaftler in chemischer Biologie bei AstraZeneca in Boston, Massachusetts; und leitende Wissenschaftler Thomas Muir, der Van Zandt Williams Jr. Class of 1965 Professor und MacMillan.

Fortschritte auf dem Gebiet der Epigenetik

Die Forschung hat wichtige Auswirkungen auf die Epigenetik, den Zweig der Biologie, der Veränderungen in der Genexpression untersucht. Im Mittelpunkt der Epigenetik stehen Histonproteine, die die DNA verpacken und den Zugang zum Genom einschränken, wodurch sie eine Schlüsselrolle bei der Regulierung der Transkription spielen.

Kürzlich wurden Mutationen an diesen Histonproteinen entdeckt und mit einer Vielzahl von Krebsarten in Verbindung gebracht.

„Eines der Dinge, die wir uns angesehen haben, war das Hinzufügen einer Mutation, die in einem Histon auftritt, das mit Krebs in Verbindung gebracht wird“, sagte Muir. „Was wir wissen wollten, ist, was passiert, wenn diese Mutation vorhanden ist; was kann nicht mehr rekrutiert werden, was ist nicht mehr in der Nachbarschaft, welche neuen Dinge werden eingeführt, die normalerweise nicht da sein sollten?

„Wir konnten diese Technologien nutzen, um alle möglichen Dinge zu finden, die sich ändern, wenn wir diese Mutation auf das Chromatin setzen, Dinge, die mit der Genregulation zusammenhängen“, fügte er hinzu. „Wir konnten daraus mechanistische Erkenntnisse ableiten, die sich darauf beziehen, wie Gene bei einer Mutation fehlreguliert werden.“

Das Team, das vor drei Jahren mit seiner Forschung begann, stellte die Hypothese auf, dass die mit Krebs assoziierte Mutation zu einer Art Funktionsverlust führt. Biomoleküle finden Chromatin und binden daran, um eine Transkriptionsmarkierung zu hinterlassen. Die Forscher glaubten, dass die Mutation einen Teil dieser Aktion blockierte und somit zu einer Zellfunktionsstörung führte.

Ihre Hypothese wurde durch diese Forschung bestätigt, die molekulare Details darüber lieferte, wie eine winzige Veränderung im Genom zu großen Auswirkungen führen kann.