Ett nyckelprotein för att omvandla vuxna stamceller till celler som liknar embryonala stamceller har visualiserats i oöverträffad detalj av ett internationellt team av forskare kring Hans Schöler och Vlad Cojocaru från Max Planck Institute for Molecular Biomedicine i Münster. Genom att kombinera experiment och datorsimuleringar visualiserade teamet hur Oct4-proteinet binder och öppnar korta bitar av DNA medan det lindas runt nukleära lagringsproteiner (histoner), precis som i vårt genom. Resultaten publicerades i tidskriften Nucleic Acids Research den 22 september.

Vuxna celler kan omvandlas till embryonala stamcellsliknande celler (inducerade pluripotenta celler, iPSCs) med en cocktail av bara fyra proteiner. Under de senaste åren har denna cellulära omprogrammeringsteknologi bidragit oerhört till sjukdomsmodellering, läkemedelsutveckling och cellersättningsterapier. Men många frågor om de molekylära mekanismerna för denna omvandling förblir obesvarade. Till exempel är ett viktigt steg öppnandet av DNA i cellerna som ska omvandlas. Var och en av våra celler innehåller cirka två meter DNA packat i en struktur som kallas kromatin. I kromatin är DNA:t tätt lindat runt histoner i upprepade strukturella enheter som kallas nukleosomer. Så, hur öppnar dessa fyra proteiner DNA:t när de uttrycks i vuxna celler?

4 oktober:En pionjär som reglerar pluripotenta stamceller

Tre av de fyra proteinerna beskrevs vara banbrytande transkriptionsfaktorer, vilket innebär att de binder till specifika sekvenser av DNA medan de är insvepta i nukleosomer och har kapacitet att direkt eller indirekt öppna kromatin. Bland de tre sticker Oct4 ut eftersom det är viktigt för underhållet av embryonala stamceller av olika arter och för omprogrammering av mänskliga celler. Oct4 upptäcktes i slutet av 80-talet av Hans Schöler ungefär samtidigt som två andra laboratorier och är den enda oersättliga faktorn i Shinya Yamanakas Nobelprisvinnande cocktail för omprogrammering av vuxna celler till pluripotenta celler. För ungefär 10 år sedan beskrev Abdenour Soufi och Ken Zaret regioner av packat DNA som är bundna av Oct4 i de tidiga stadierna av omprogrammering.

Caitlin MacCarthy, en postdoktor i Hans Schölers grupp och en av huvudförfattarna till studien, tillhandahöll våtlabbexperimenten. När hon reflekterar över sitt arbete förklarar MacCarthy:"Experimenten var mer utmanande än vi förväntade oss. Att arbeta med genomiska eller inhemska nukleosomer blir ganska tekniskt eftersom de är mycket dynamiska, till skillnad från konstruerade sekvenser som är mer stabila. Ändå kunde vi visa exakt var Oct4 binder till dem." Så vad händer när Oct4 binder nukleosomer?

Computational nanoscope

För att svara på detta tillhandahöll Jan Huertas, också en huvudförfattare till studien, de simuleringar som han utförde under sin doktorsexamen. studier vid MPI Münster. Han och Vlad Cojocaru använde det beräkningsmässiga nanoskopet för att visualisera hur Oct4 binder till nukleosomer och påverkar deras struktur. Termen beräkningsnanoskop används av forskare för att referera till en uppsättning datorsimuleringsmetoder som gör det möjligt för dem att visualisera molekylers rörelser över tid.

Noggrannheten i dessa metoder är nu så hög att man kan tänka sig att observera molekylerna under ett mycket högupplöst mikroskop. Nukleosomer, som alla makromolekylära strukturer i våra celler, är dynamiska. De rör sig, vrider sig, andas, lindar upp och lindar igen. Att visualisera dessa rörelser i experiment är ofta omöjligt. Huertas förklarar, "Det är så fantastiskt att kunna se dessa stora molekylära strukturer med alla deras atomer röra sig på datorn och veta att det du ser är väldigt nära vad som faktiskt händer."

4 oktober öppnar nukleosomer

I realtidsfilmerna av Oct4-nukleosomkomplex som de genererade, var och en visar 1 till 3 mikrosekunder av komplexets livstid, observerade Huertas och Cojocaru hur Oct4 kan öppna nukleosomerna. De beskrev i atomär detalj mekanismerna för denna öppning genom att jämföra rörelser av fria och Oct4-bundna nukleosomer.

Intressant nog berodde öppningen på positionen för DNA-sekvensen som kändes igen av Oct4 på nukleosomen och på rörligheten hos terminala flexibla regioner av histonerna, så kallade histonsvansar.

Mot att förstå pionjärfaktorer och omvandlingar till cellöde

Forskarna är entusiastiska över konsekvenserna av deras arbete och framtidsperspektiv. Cojocaru, nu en ledande forskare vid Babeş-Bolyai-universitetet som också innehar utnämningar som senior forskare vid Utrecht University, och gästforskare vid MPI Münster säger:"Vi visar här för första gången i atomär detalj inte bara hur Oct4 binder till olika nukleosomer, men också hur Oct4-bindning tillsammans med histonsvansarna påverkar den strukturella flexibiliteten hos dessa nukleosomer."

MacCarthy tillägger att "eftersom histonsvansarna, liksom pionjärfaktorer, också är nyckelregulatorer för genuttryck. Medan pionjärfaktorer binder till DNA för att öppna kromatin och aktivera gener, bär histonsvansarna kemiska modifieringar som definierar regionerna av öppet kromatin från vilka gener kan uttryckas."

Huertas förklarar vidare att "tills nu har det varit ett mysterium hur histonsvansar påverkar förmågan hos pionjärfaktorer att binda och öppna nukleosomer. Vårt arbete banar väg för framtida studier av andra pionjärfaktorer, av vilka många är nyckeln till cellulära transformationer, inklusive cellödeomvandlingar och cancer."

Cojocaru säger, "Mekanismen vi beskriver här fyller en kunskapslucka i förståelsen av hur faktorer som Oct4 inducerar cellödeövergångar. Att förstå dessa mekanismer kommer så småningom att ge sätt att optimera och kontrollera sådana övergångar för framgångsrik användning i terapier. Och datorsimuleringar kommer att vara i hjärtat av dessa framtida upptäckter." + Utforska vidare

Datorsimuleringar visualiserar hur DNA känns igen för att omvandla celler till stamceller