Livet börjar med en cell. När en organism utvecklas, specialiserar sig delande celler för att bilda olika vävnader och organ som bygger upp den vuxna kroppen, samtidigt som de behåller samma genetiska material – som finns i vårt DNA. I en process som kallas transkription kopieras delar av DNA:t – generna – till en budbärarmolekyl – ribonukleinsyran (RNA) – som bär den information som behövs för att producera proteiner, livets byggstenar. De delar av vårt DNA som läses och transkriberas avgör våra cellers öde. Läsarna av DNA är proteiner som kallas transkriptionsfaktorer:de binder till specifika platser på DNA:t och aktiverar transkriptionsprocessen. Hur de känner igen vilken plats på DNA:t de behöver binda till och hur dessa skiljer sig från andra slumpmässiga bindningsställen i genomet är fortfarande en öppen fråga. Forskare vid Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics (MPI-CBG) och Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems (MPI-PKS), båda belägna i Dresden, visar att tusentals individuella transkriptionsfaktorer samverkar och samverkar med varandra. De väter tillsammans DNA-ytan genom att bilda vätskedroppar som kan identifiera kluster av bindningsställen på DNA-ytan.

Transkription, en av de mest grundläggande cellulära processerna, är den åtgärd genom vilken informationen i DNA:t transkriberas till budbärarmolekylen RNA. Detta "budskap" översätts senare till proteiner. Att bestämma vilka delar av DNA:t som transkriberas vid varje givet ögonblick är avgörande för korrekt utveckling för att bibehålla hälsan hos en organism, eftersom många sjukdomar sannolikt kommer att inträffa när de genetiska programmen inte utförs korrekt. Beslutet om vilka gener som transkriberas tas av ett komplext nätverk av regulatoriska proteiner som kallas transkriptionsfaktorer. Även om dessa faktorer binder till korta DNA-sekvenser, krävs igenkänning av kluster av många sådana sekvenser för att slå på närliggande gener.

Forskargrupperna för Stephan Grill och Anthony Hyman, båda direktörer vid MPI-CBG, och gruppen av Frank Jülicher, direktör vid MPI-PKS undersökte i sin senaste studie i tidskriften Nature Physics hur transkriptionsfaktorer hittar och känner igen kluster av många specifika DNA-sekvenser där de kan binda och leda till genaktivering. För att ta reda på detta följde forskarna ett tvärvetenskapligt tillvägagångssätt, som kombinerade expertis inom experimentell och teoretisk biofysik med cellbiologi. Jose A. Morin, en av de första författarna till studien, förklarar:"Vi använde en optisk pincett - en teknik som använder lasrar för att isolera och manipulera mycket små föremål som enstaka DNA-molekyler - kombinerat med konfokalmikroskopi för att titta på dem individuellt. Med optisk pincett är det möjligt att fånga en enskild DNA-molekyl och med konfokalmikroskopi kan vi observera transkriptionsfaktorer som binder och bildar proteinkondensat vid deras föredragna DNA-sekvenser. Det faktum att vi kan studera denna process en molekyl åt gången gjorde att vi kunde upptäcka interaktioner annars suddiga av komplexiteten i den levande cellen." Sina Wittmann, en annan första författare, tillägger:"Med hjälp av fysikerna kunde vi förstå hur transkriptionsfaktorer kommunicerar med varandra och sätts samman genom lagarbete. De genomgår vad som kallas en prewetting-övergång för att bilda vätskeliknande droppar, som liknar dropparna på en spegel i ditt badrum efter en dusch. Dessa kondensat är fyllda med tusentals transkriptionsfaktorer. Sammansatta på detta sätt kan transkriptionsfaktorerna nu identifiera rätt DNA-region genom att läsa ut DNA-sekvensen."

Stephan Grill sammanfattar:"Vi har nu en möjlig mekanistisk förklaring till lokaliseringen av transkriptionsfaktorer längs genomet. Detta är väsentligt för att förstå hur genuttryck regleras. Eftersom vi vet att denna reglering bryts ner i utvecklingssjukdomar och cancer, kommer dessa nya resultat ge oss en tydligare bild av hur dessa sjukdomar uppstår. Denna kunskap är viktig för att tänka på nya terapeutiska alternativ som tar hänsyn till teamarbetet med transkriptionsfaktorer."