Lager av genkontroll tillåter DNA att flexibelt lägga till ny information. Gener och deras genetiska switchar är organiserade i funktionella enheter för att slå på eller stänga av gener precis efter behov. Att störa dessa enheter kan leda till sjukdomar, men en ny studie visar att de är mer robusta och flexibla än man tidigare trott. Ett internationellt team av forskare fann att en gen fortfarande kan fungera även när nya DNA-segment infogas i samma genomiska organisatoriska enhet.

Två meter DNA stoppas in i den lilla kärnan i varje mänsklig cell. För att ge cellen rätt information vid rätt tidpunkt packas DNA-molekylen och buntas effektivt till funktionella enheter. Gener samlas vanligtvis med sina kontrollsekvenser för att bygga fysiskt åtskilda arbetsutrymmen. Men vad händer när dessa enheter störs under evolutionen – eller i genomet hos en enskild patient?

"En del av de genomiska omarrangemang som vi ser på kliniken orsakar sjukdom, medan andra inte gör det", säger Stefan Mundlos från Charité—Universitätsmedizin Berlin och chef för forskargruppen Development &Disease vid Max Planck Institute for Molecular Genetics (MPIMG). "Vi förstår fortfarande inte helt varför detta är fallet."

Faktum är att många delar av genomet innehåller regulatoriska konflikter. En ny studie publicerad i tidskriften Cell ger de första tipsen om hur de löses. Mundlos team av forskare studerade ett exempel där en ny gen framgångsrikt har integrerats i genomet utan att störa de redan existerande kontrollmekanismerna för närliggande gener. Teamet hoppades att detta också skulle kunna användas för att dra slutsatser om liknande omständigheter i patienters celler.

Forskarna utforskade en mutation som hände i förfadern till alla placenta däggdjur, en grupp som inkluderar människor, men inte pungdjur som opossum. Mutationen infogade den nya genen Zfp42 rakt in i arbetsområdet för den viktiga utvecklingsgenen Fat1, en gen som är involverad i tillväxt och migration av celler.

"Vi fann att celler klarar den oönskade gästen med två separata mekanismer, beroende på situationen när generna behövs", säger Michael Robson, som ledde projektet. "I vissa vävnader tystas den nya genen epigenetiskt och stängs av helt. Under tidig utveckling av embryot är dock båda generna aktiva och cellen bygger om denna del av arvsmassan till nya funktionella enheter som möjliggör individuell kontroll."

En nykomling i verkstaden

Robson, hans Ph.D. studenten Alessa Ringel och deras kollegor undersökte den organisatoriska arbetsytan för Fat1. Liksom många andra gener instrueras den att slås på vid specifika tider och platser av andra DNA-sekvenser som kallas förstärkare. För att tillåta förstärkare och gener att kommunicera, viks och böjs DNA sedan för att föra dem samman till ett skyddat arbetsutrymme. Dessa funktionella arbetsenheter av DNA kallas topologiskt associerade domäner (TADs).

Hos kycklingar eller opossums är endast Fat1-genen belägen i samma TAD som dess förstärkare. När forskaren använde "Hi-C"-tekniken för att se vilka delar av DNA som oftast berör varandra, betedde sig genen och dess förstärkare som förväntat. Hos dessa djur verkade DNA:t krypa ihop sig till en enda boll, vilket gjorde att båda genetiska sekvenserna kunde blandas ihop och därigenom aktivera Fat1.

"Men hos placenta däggdjur som möss eller människor är det lite mer komplicerat", förklarar Ringel, som är första författare till publikationen. Mitt emellan Fat1-genen och dess förstärkare finns den här nya genen som heter Zfp42. Samma förstärkare bör kontrollera båda generna, men så är inte fallet. "Båda generna verkar gå bra överens - de har ett helt oberoende beteende och blir aktiva i olika vävnader vid olika utvecklingstillfällen."

Antingen går du och lägger dig eller bygger om din arbetsyta

För att gå till botten med frågan om hur generna lyckas undvika varandra jämförde forskarna celler från olika musvävnader:den utvecklande embryonala lemmen och embryonala stamceller.

Från dessa studier lärde forskarna att i embryonala lemmar kontaktar förstärkaren verkligen båda generna - men Zfp42 förblir inaktiv. Som det visar sig är nykomlingen fortfarande på samma arbetsplats men sover tyst i ett hörn. Genen hade tystats av DNA-metylering, en kemisk modifiering som låser gener i ett off-state. Men för att få Zfp42-genen att sova måste den vara exakt på rätt plats. Så fort forskarna experimentellt klippte och klistrade det bara lite på vardera sidan, aktiverades det av Fat1s förstärkare.

Forskarna blev förvånade över att finna att i cellerna i de embryonala musstamcellerna är DNA:t runt de två generna organiserat helt annorlunda. Zfp42 och Fat1 bygger nu sina egna fysiskt separata arbetsytor med sina egna förstärkare.

Den ursprungliga TAD delar sig i mindre DNA-blobbar för att separera de två generna. Detta var uppenbart inte bara från Hi-C-experiment som kartlade kontaktpunkterna mellan DNA-segment, utan också från högupplösande mikroskopisk avbildning och datormodeller som visade att varje gen etablerade sin egen lilla arbetsyta.

Ett robust och flexibelt system för genetisk kontroll

Dessa två nya mekanismer avslöjar hur en enda DNA-"arbetsyta" lätt kan modifieras för att vara värd för helt olika genaktiviteter. "Det är fascinerande att studera hur olika lager av genkontroll kompletterar varandra", säger Ringel. "Vi har blivit förvånade över flexibiliteten hos våra genom att anpassa och kontrollera gener i olika situationer. Våra resultat visar till exempel att TAD kan ha dynamiska snarare än statiska DNA-strukturer."

TAD för Fat1-genen har bibehållits stabilt under hundratals miljoner år av evolution från fiskar och grodor till pungdjur, tillägger projektledaren Robson. "TAD-arbetsytor verkar först ömtåliga eftersom så mycket kan gå fel om de blir störda", säger han. "Men nya gener måste gå någonstans och vi visar hur evolutionen effektivt kan modifiera regulatoriska domäner för att säkert lägga till nya gener och funktioner."

"Intressant nog speglar denna evolutionära miljö vad vi ofta ser hos patienter med extrema genomiska förändringar som kromotripsis", säger Mundlos. "Dessa patienter kan ha krossade kromosomer men har fortfarande bara relativt lindriga symtom. Detta kan förklaras genom dessa ytterligare regleringsmekanismer som kompenserar för skadliga effekter genom att använda de verktyg genomet har till sitt förfogande." + Utforska vidare

Utforska molekylära gränser i DNA