Wie die „Hauptregulatoren“ der Zellen die DNA für die Genexpression zugänglich machen

Neue Einblicke in Proteine, die als „Pionierfaktoren“ bezeichnet werden, helfen, ihre ungewöhnliche Fähigkeit zu erklären, das typischerweise dichte genetische Material in unseren Zellen zu öffnen. Dieses Verhalten macht das genetische Material für Proteine ​​zugänglich, die an wichtigen zellulären Prozessen wie DNA-Replikation und -Reparatur, Genexpression und der Bildung von Proteinen beteiligt sind.

Die Studie eines Forscherteams der Penn State und der Ohio State University verwendete eine einzigartige Kombination aus Strukturbiologie, Biophysik und Zellbiologie, um zu verstehen, wie diese „Hauptregulatoren“ des Genoms mit Nukleosomen interagieren – der Grundeinheit des Genom in allen eukaryotischen Zellen, die von der Hefe bis zum Menschen reichen.

DNA im Zellkern ist im Allgemeinen um Proteine ​​gewickelt, die Histone genannt werden, und in dichte Komplexe gepackt, die Nukleosomen genannt werden. Die Nukleosomen, die Perlen auf einer DNA-Kette ähneln, werden weiter zusammengepackt und bilden Chromatin, das dann Chromosomen bildet.

„Nukleosomen sind für viele Proteine ​​eine Barriere gegen die Assoziation mit Chromatin, aber Pionierfaktoren haben die besondere Eigenschaft, dass sie in das Nukleosom eindringen und offene Regionen erzeugen können, auf die andere Faktoren zugreifen können“, sagte Lu Bai, außerordentlicher Professor für Biochemie und Molekularbiologie und Physik an der Penn State und einer der Leiter des Forschungsteams.

„Aus diesem Grund werden sie manchmal als ‚Hauptregulatoren‘ von Genen angesehen. In dieser Studie haben wir eine Kombination von Ansätzen verwendet, um besser zu verstehen, wie Pionierfaktoren in das Nukleosom eindringen können.“

Die Studie erscheint in der Zeitschrift Molekulare Zelle.

Pionierfaktoren sind eine Art Transkriptionsfaktor – Proteine, die für den Transkriptionsprozess entscheidend sind, bei dem DNA in die RNA-Baupläne für die Herstellung von Proteinen kopiert wird. Während viele Transkriptionsfaktoren an das Nukleosom binden können, fallen die meisten sehr schnell ab. Im Gegensatz dazu verfügen Pionierfaktoren über einen sogenannten „Dissoziationskompensationsmechanismus“, der es ihnen ermöglicht, über einen längeren Zeitraum stabil an das Nukleosom gebunden zu bleiben.

Das Forschungsteam verglich einen Pionierfaktor namens Cbf1 und einen Nicht-Pionier-Transkriptionsfaktor namens Pho4 in angehender Hefe. Die beiden Proteine ​​haben ähnliche Gesamtstrukturen und die Fähigkeit, dieselben DNA-Sequenzen zu erkennen, aber sie verhalten sich um das Nukleosom herum unterschiedlich. Unter Verwendung einer empfindlichen Bildgebungstechnik namens Kryo-Elektronenmikroskopie identifizierten die Forscher eine Struktur auf dem Pionierfaktor, von der sie glauben, dass sie zu seiner Fähigkeit beiträgt, in das Nukleosom einzudringen.

„Basierend auf unserer Kryoelektronenmikroskopie-Struktur interagiert Cbf1 nicht nur mit dem DNA-Teil des Nukleosoms, sondern auch mit Histonen innerhalb des Nukleosoms durch seine Helix-Loop-Helix-Region“, sagte Song Tan, Verne M. Willaman Professor für Molekularbiologie an Penn State und einer der Leiter des Forschungsteams. „Wir vermuten, dass diese Wechselwirkung dazu beiträgt, dass Cbf1 nicht so schnell dissoziiert wie Nicht-Pionierfaktoren.“

Um die Rolle der Helix-Loop-Helix-Region zu bestätigen, stellte das Forschungsteam „Chimären“ aus jedem der Proteine ​​her, indem es eine Helix-Loop-Helix aus dem Pionierfaktor entfernte und eine zum Nicht-Pionier-Transkriptionsfaktor hinzufügte. Dann messen sie, wie schnell sich diese Chimären vom Nukleosom dissoziieren.

„Das Entfernen der Helix-Schleife-Helix aus dem Pionierfaktor verursachte eine schnellere Dissoziation, was zu einem reduzierten Dissoziationskompensationsphänomen und einem dramatisch weniger effektiven Pionierfaktor führte“, sagte Michael Poirier, Professor und Lehrstuhl für Physik am Bundesstaat Ohio und einer der Leiter des Forschungsteams. „Erstaunlicherweise verlieh das Hinzufügen der Helix-Loop-Helix-Region dem Nicht-Pionierfaktor Pionierfaktor-Eigenschaften.“

Um diese Ergebnisse weiter zu bestätigen, untersuchten die Forscher, wie diese Chimären in lebenden Hefezellen funktionieren. Sie fanden heraus, dass der Pionierfaktor und die Nicht-Pionier-Chimäre, die so modifiziert wurden, dass sie sich wie ein Pionierfaktor verhalten, sowohl die Invasion als auch die Öffnung des Nukleosoms erleichterten. Diese Ergebnisse helfen zusammen zu erklären, wie Pionierfaktoren wie Cbf1 auf das Nukleosom zugreifen und die Zugänglichkeit der DNA für andere Faktoren verbessern können.

„Diese Studie wäre nicht möglich gewesen, ohne das Fachwissen unserer drei getrennten Gruppen zu kombinieren“, sagte Tan

„Meine Gruppe konzentrierte sich auf Strukturbiologie, Michael Poiriers Gruppe an der Ohio State konzentrierte sich auf Einzelmolekül-Biophysik und Lu Bais Gruppe an der Penn State konzentrierte sich auf In-vivo-Zellbiologie. Dies war eine wunderbar synergetische Zusammenarbeit und hat Ideen und Ergebnisse hervorgebracht, die dies nicht tun würden wurden mit einer oder sogar zwei unserer Gruppen alleine generiert. Wir setzen diese Zusammenarbeit fort, um die Wechselwirkungen anderer Pionierfaktoren und des Nukleosoms zu erforschen.“