Verwenden einer Eiersuppe, um zu verstehen, wie die DNA im Zellkern verpackt ist

Wenn Sie die in einer Ihrer Zellen gefundene DNA von Ende zu Ende dehnen würden, würde sie sich ungefähr 2 Meter oder 6,5 Fuß erstrecken. Jede einzelne Zelle in Ihrem Körper kann so viel DNA verstauen, indem sie sie um Proteine ​​wickelt, die Histone genannt werden. Die DNA wird geöffnet und geschlossen, wenn Zellen für normale Prozesse wie die Zellteilung Zugang benötigen. Viele Krebszellen reagieren jedoch besonders empfindlich auf das Ein- und Auspacken von DNA, da sie sich viel schneller teilen als unsere gesunden normalen Zellen. Zu verstehen, welche Proteine ​​DNA spezifisch verpacken und entpacken, könnte uns helfen, diese Krebszellen mit Inhibitoren genauer anzugreifen.

Ein Forschungsteam der Medical University of South Carolina (MUSC) unter der Leitung von David Long, Ph.D., berichtet in der Zeitschrift für Biologische Chemie dass ein Protein, HDAC1, eine größere Rolle bei der Verpackung von DNA um Histone spielt als bisher angenommen.

„Zellen müssen ihre DNA sorgfältig entpacken und lesen, um die verschiedenen Proteine ​​zu erzeugen, die in Ihrem Körper gefunden werden“, sagte Long.

Um zu erklären, wie DNA-Verpackung funktioniert, bietet Colleen Quaas, Ph.D., Erstautorin des Artikels, eine Analogie an.

„Stellen Sie sich Histone wie eine Rolle vor und DNA wie den Schlauch, der sich darum windet“, sagte sie. Quaas war Doktorandin in Longs Labor, als sie an der Studie arbeitete. Sie ist jetzt Postdoktorandin im Labor von Tim Barnoud, Ph.D., am MUSC. Zu den neuen Forschungszielen von Quaas gehört die Entwicklung neuartiger Therapien zur Behandlung von Bauchspeicheldrüsenkrebs.

Vor dieser Studie wurde angenommen, dass HDAC1 und HDAC2 eine ähnliche Rolle beim Verpacken von DNA spielen, indem sie sie um Histon-„Rollen“ wickeln, was eine gewisse eingebaute Redundanz bietet. Unter Verwendung einer neuartigen Technik, die in Longs Labor entwickelt wurde, machten sich die beiden Forscher daran, die Funktionen von HDAC1- und HDAC2-Proteinen zu erforschen und zu vergleichen. Sie fanden heraus, dass die Geschichte viel komplizierter ist.

„Es passiert mehr, als Sie denken, und so warten all diese wirklich einfachen, frühen Interpretationen nur darauf, zurückgezogen und weiter erforscht zu werden“, sagte Long.

Alle notwendigen Informationen zur Herstellung von Proteinen sind in Ihrer DNA geschrieben. Um die Analogie von Quaas zu erweitern, denken Sie an den Prozess der Verwendung von DNA zur Herstellung von Proteinen, als ob Sie Ihren Garten bewässern würden. Sie müssen den Schlauch von der Rolle abwickeln, um alle Ihre Pflanzen zu gießen, und wenn Sie mit dem Gießen fertig sind, wickeln Sie den Schlauch wieder um die Rolle.

Um besser zu verstehen, welche Proteine ​​beim Aufwickeln der DNA eine Rolle spielen, entwickelte Long ein System, das Extrakt aus den Eiern afrikanischer Krallenfrösche verwendet. Das Extraktsystem umfasst alle Proteine ​​innerhalb des Zellkerns, entfernt jedoch die DNA.

„Der Extrakt ist im Grunde wie eine Zellsuppe“, sagte Long. „Wenn Sie sich den Kern wie eine Orange vorstellen, ist der Extrakt der Saft, der herausgepresst wird. Wir betrachten alle Proteine, die aus den Eiern herausgepresst werden.“

Das Extraktsystem ist insofern einzigartig, als es nicht auf Zellkulturen oder Tiermodelle angewiesen ist, um wissenschaftliche Fragen zu beantworten. Forscher können die interessierende DNA einfach in das Extraktsystem konzentrierter Proteine ​​hinzufügen und analysieren, wie die DNA verpackt oder entpackt ist. Darüber hinaus können sie bestimmen, welche spezifischen Proteine ​​mit der DNA interagieren, die sie dem Extraktsystem hinzufügen.

„Wir können die DNA in Echtzeit außerhalb einer Zelle betrachten, was mechanistische Studien der DNA viel leichter zugänglich macht“, sagte Quaas.

„Wir können viele Dinge mit Extrakten machen, die man in Zellen nicht machen kann, weil man Zellen am Leben erhalten muss“, sagte Long. „Wir können Dinge herausziehen und Dinge wieder hinzufügen, also ist es sehr einfach, das System zu manipulieren.“

Long und Quaas wollten sehen, was passieren würde, wenn sie Inhibitoren verwenden würden, die auf verschiedene Gruppen von HDAC-Proteinen abzielen. Derzeit sind mehrere HDAC-Inhibitoren von der US-amerikanischen Food and Drug Administration zugelassen und werden in klinischen Studien zur Krebsbehandlung eingesetzt. Die Forscher beschlossen, mehrere dieser Inhibitoren zu testen und stellten fest, dass Romidepsin spezifisch die DNA-Verpackung blockierte.

Romidepsin zielt sowohl auf HDAC1 als auch auf HDAC2 ab, aber es war bisher nicht bekannt, welches der beiden HDACs tatsächlich für die DNA-Verpackung verantwortlich ist. Für ihre Studie entwickelten die Forscher Werkzeuge, um speziell entweder auf HDAC1 oder HDAC2 abzuzielen. Angesichts der vorherrschenden Meinung dachten sie, dass die Auswirkungen auf die DNA-Verpackung gleich sein würden, unabhängig davon, auf welches Protein sie abzielten. Stattdessen wurde die DNA-Verpackung nur verzögert, wenn HDAC1 gehemmt wurde. Dies überraschte die Forscher und veranlasste sie, weiter zu untersuchen, wie HDAC1 mit anderen Proteinen als HDAC2 interagiert, um seine Aufgabe zu erfüllen.

„Wir sehen, dass HDAC1 und HDAC2 unterschiedliche Rollen in unserem System haben und dass sie auch in verschiedenen Proteinkomplexen vorkommen“, sagte Quaas.

Die Ergebnisse der Studie sind aus mehreren Gründen wichtig. Erstens ist das in Longs Labor verwendete Extraktsystem neuartig und kann verwendet werden, um Fragen zu beantworten, die mit herkömmlichen Zell- oder Tiermodellen schwer zu beantworten sind. Zweitens könnten sich zukünftige Krebstherapien auf die Entwicklung von Inhibitoren konzentrieren, die spezifisch auf einzelne HDAC-Proteine ​​abzielen. Die Forscher fanden heraus, dass HDAC1, nicht HDAC2, der Haupttreiber der DNA-Verpackung ist, so dass es effektiver sein könnte, nur auf HDAC1 abzuzielen, und weniger Nebenwirkungen während der Behandlung haben könnte.

„Diese selektiven Inhibitoren sind eine großartige Möglichkeit, Krebszellen anzugreifen“, sagte Long. „Krebszellen wachsen schnell. Wenn wir also stören können, wie sie DNA packen und entpacken können, werden sie empfindlicher für den Zelltod.“