Wie die epigenetische Landschaft die Bindung des Pionier-Transkriptionsfaktors moduliert

Wie ein eng um eine Spule gewickelter Faden wird die DNA um Histone gewickelt und in Strukturen verpackt, die Nukleosomen genannt werden. Wissenschaftler am St. Jude Children’s Research Hospital erforschen, wie eine Art Transkriptionsfaktor, der sogenannte Pionier-Transkriptionsfaktor, auf die DNA zugreift, selbst wenn diese fest verwunden ist. Ihre Arbeit enthüllte, wie die epigenetische Landschaft die Bindung von Transkriptionsfaktoren beeinflusst.

Probleme mit der Transkription wurden mit zahlreichen Krebsarten in Verbindung gebracht, sodass dieses detailliertere Verständnis des Prozesses bei der Entwicklung zukünftiger Therapeutika hilfreich sein könnte. Die Studie wurde veröffentlicht in Natur.

Die Nukleosomenverpackung der DNA kann Transkriptionsfaktoren, die die Genexpression regulieren, physisch daran hindern, auf ihre Bindungsstellen zuzugreifen. Die Einschränkung des Zugangs zur DNA ist ein wesentlicher Bestandteil der Regulierung der Transkription. Pionier-Transkriptionsfaktoren können jedoch selbst innerhalb von verdichtetem Chromatin an ihr Ziel-DNA-Stück binden und fördern bekanntermaßen auch die Bindung anderer Transkriptionsfaktoren.

Zu den Pionier-Transkriptionsfaktoren gehören die sogenannten Yamanaka-Faktoren, zu denen Oct4 gehört und die zur Induktion der Pluripotenz (der Fähigkeit, verschiedene Zelltypen hervorzubringen) eingesetzt werden. Wie Pionier-Transkriptionsfaktoren auf eng verwundene DNA zugreifen, war unklar. Um den Prozess besser zu verstehen, untersuchten Wissenschaftler von St. Jude mithilfe von Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) und Biochemie, wie Oct4 mit Nukleosomen interagiert.

„Aufbauend auf früheren Arbeiten zum Verständnis des dynamischen Verhaltens von Nukleosomen wollten wir verstehen, wie andere Faktoren diese dynamischen Veränderungen nutzen könnten, um auf Chromatin zuzugreifen“, sagte der korrespondierende Autor Mario Halic, Ph.D., St. Jude Department of Structural Biology. „Oct4 band nicht dort, wo wir es erwartet hatten – anstatt innerhalb des Nukleosoms zu binden, stellten wir fest, dass es etwas außerhalb band.“

„Eine der wichtigsten Erkenntnisse ist, dass epigenetische Modifikationen die Bindung und Kooperativität von Transkriptionsfaktoren beeinflussen können“, fügte Halic hinzu. „Der bestehende epigenetische Zustand des Chromatins kann bestimmen, wie Transkriptionsfaktoren kooperativ an Chromatin binden.“

Die epigenetischen Auswirkungen

Die Ergebnisse zeigen, dass die Bindung des ersten Oct4-Moleküls das Nukleosom in einer Position „fixiert“, die die Freilegung anderer Bindungsstellen erhöht, wodurch die Bindung zusätzlicher Transkriptionsfaktoren gefördert und die Kooperativität der Transkriptionsfaktoren erklärt wird. Sie fanden auch heraus, dass Oct4 mit Histonen in Kontakt kommt und diese Wechselwirkungen die Öffnung des Chromatins fördern und die Kooperativität beeinflussen.

Ihre Arbeit zeigte auch, dass Modifikationen am Histon H3K27 die Positionierung der DNA bis zum 4. Oktober beeinflussen. Diese Ergebnisse erklären, wie die epigenetische Landschaft die Oct4-Aktivität regulieren kann, um eine ordnungsgemäße Zellprogrammierung sicherzustellen.

Bemerkenswert ist, dass die Forscher für den Aufbau ihrer Nukleosomen endogene menschliche DNA-Sequenzen anstelle künstlicher Sequenzen verwendeten. Dies ermöglichte es ihnen, die dynamische Natur des Nukleosoms zu untersuchen, obwohl die Arbeit damit schwieriger war.

„In dieser Arbeit haben wir echte genomische DNA-Sequenzen verwendet, um Transkriptionsfaktoren im Kontext ihrer Funktion zu untersuchen“, sagte Erstautor Kalyan Sinha, Ph.D., St. Jude Department of Structural Biology.

„Mit dieser Strategie konnten wir entdecken, dass das erste Bindungsereignis von Oct4 die nukleosomale DNA auf eine Weise positioniert, die eine kooperative Bindung zusätzlicher Oct4-Moleküle an interne Stellen ermöglicht. Darüber hinaus haben wir spannende Wechselwirkungen mit Histonschwänzen beobachtet und gesehen, dass Histonmodifikationen dies können.“ verändern diese Wechselwirkungen. Zusammengenommen liefern diese Erkenntnisse neue Einblicke in die Pioniertätigkeit von Oct4.“

„Histonmodifikationen wirken sich darauf aus, wie DNA positioniert ist und wie Transkriptionsfaktoren kooperativ binden können“, fügte Sinha hinzu, „was bedeutet, dass in Zellen, wenn Sie dieselbe DNA-Sequenz haben, unterschiedliche epigenetische Modifikationen zu unterschiedlichen, kombinatorischen Effekten auf die Bindung von Transkriptionsfaktoren führen können.“