En molekylär "motor" som organiserar genomet i distinkta stadsdelar genom att bilda loopar av DNA har karakteriserats av forskare vid MIT och Pasteur Institute i Frankrike.

I en studie publicerad 2016, ett team ledd av Leonid Mirny, en professor i fysik vid MIT:s Institute for Medical Engineering and Sciences, föreslog att molekylära motorer omvandlar kromosomer från ett löst trassligt tillstånd till en dynamisk serie av expanderande öglor.

Processen, känd som loop extrudering, tros föra samman regulatoriska element med de gener de kontrollerar. Teamet föreslog också att DNA är dekorerat med barriärer - liknande stopptecken - som begränsar extruderingsprocessen.

På det här sättet, loopextrudering delar upp kromosomerna i separata regulatoriska stadsdelar, kända som topologiskt associerande domäner (TADs).

Dock, medan forskarna föreslog att ett ringliknande proteinkomplex kallat cohesin var en trolig kandidat för dessa molekylära motorer, detta hade ännu inte bevisats.

Nu, i en artikel publicerad i tidningen Natur , ett team ledd av Mirny och Francois Spitz vid Pasteur Institute, har visat att cohesin verkligen spelar rollen som en motor i slingextruderingsprocessen.

"Var och en av dessa maskiner landar på DNA:t och börjar extrudera öglor, men det finns gränser för DNA som dessa motorer inte kan ta sig igenom, " säger Mirny. "Så som ett resultat av denna motoriska aktivitet, genomet är organiserat i många dynamiska loopar som inte korsar gränserna, så genomet delas upp i en serie stadsdelar."

Forskarna upptäckte också att en annan mekanism, som inte använder kohesin, arbetar med att organisera aktiva och inaktiva DNA -områden i separata fack i cellens kärna.

För att bestämma rollen kohesin spelar i genombildning, laget tog först bort en molekyl känd som Nipbl, som är ansvarig för att ladda kohesin på DNA.

De använde sedan en experimentell teknik som kallas Hi-C, i vilka delar av DNA som är nära varandra i 3D-rymden fångas och sekvenseras, i ett försök att mäta frekvensen av fysisk interaktion mellan olika fläckar längs kromosomerna.

Denna teknik, som var föregångare av Job Dekker, en professor i biokemi och molekylär farmakologi vid University of Massachusetts Medical Center i Worcester, har tidigare använts för att demonstrera förekomsten av TAD.

Teamet använde först Hi-C-tekniken för att bedöma organiseringen av kromosomerna innan de tog bort Nipbl-molekylen från möss. De tog sedan bort molekylen och utförde samma mätning igen.

De upptäckte att kvarteren praktiskt taget hade försvunnit.

Dock, uppdelningen mellan aktiva och inaktiva regioner av genomet hade blivit ännu mer markant.

Teamet tror att kohesinmotorerna tillåter varje gen att nå ut till dess reglerande element, som styr om gener ska slås på eller av.

Vad mer, det verkar som om kohesinmotorerna stoppas av ett annat protein, CTCF, som avgränsar varje kvarters gränser. I en ny studie i tidningen Cell , Mirny -labbet, i samarbete med forskare vid University of California i San Francisco och University of Massachusetts Medical School har visat att om detta avgränsande protein tas bort, gränserna mellan stadsdelar försvinner, tillåta gener i ett grannskap att prata med regulatoriska element som de inte borde prata med i ett annat grannskap, och leder till felreglering av gener i cellen.

"Cohesin är centralt för genreglering, och vi betonar att detta är en motorisk funktion, så det är inte bara så att de (gener och deras reglerande element) hittar varandra någonstans slumpmässigt i rymden, men de fördes samman av denna motoriska aktivitet, Säger Mirny.

Detta dokument ger viktig ny molekylär insikt i de mekanismer genom vilka celler viker sina kromosomer, enligt Dekker, som inte var inblandad i den aktuella studien.

"I detta arbete kombinerar Mirny och Spitz labs musmodeller med genomiska metoder för att studera kromosomveckning för att avslöja att maskinen som laddar kohesinkomplexet är avgörande för TAD-bildning, " Dekker säger. "Från denna och en annan tidigare studie, en molekylär mekanism kommer till synen där TAD bildas genom kohesin och Nipbl-beroende kromatinloopextrudering, som är blockerad av webbplatser bundna av CTCF."

Forskarna försöker nu karakterisera hur frånvaron av den molekylära motorn skulle påverka genreglering. De utför också datasimuleringar i ett försök att avgöra hur den kohesinbaserade slingsträngsprutningen sker samtidigt som genomet genomgår den oberoende processen att segregera till aktiva och inaktiva fack.

"Det är som två pianister som spelar på samma piano, säger Nezar Abdennur, en doktorand i Mirny -labbet, som deltog i studien tillsammans med doktoranden Anton Goloborodko. "De stör och sätter begränsningar för varandra, men tillsammans kan de producera ett vackert musikstycke."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.