Forskarna utvecklade en beräkningspipeline som integrerar och analyserar encellsavbildning, mikroskopidata och andra genomomfattande datamängder. De kallade tillvägagångssättet COLA (CO-localization and Looping Analysis). COLA hittar DNA-looping-händelser i superupplösningsmikroskopibilder och länkar dem till aktivitetsavläsningar mätta över genomet, som RNA-polymerasbindning.
Med hjälp av COLA studerade teamet looping-händelser på fyra genomiska loci som är kända för att interagera på lång räckvidd. Överraskande fann de att enskilda slingor sällan varar längre än några minuter, och många är mycket dynamiska, genomgår snabb montering och demontering. Dessa resultat utmanar den rådande uppfattningen att genomiska kontakter återspeglar stabila, ihållande kromatinstrukturer som upprätthåller transkriptionsprogram. Istället föreslår teamet en modell där loopar är övergående och endast bildas övergående som svar på specifika regulatoriska signaler.
"Slingor finns överallt i celler, men de är mycket mer övergående än någon tidigare har uppskattat", säger medförfattare Gene Yeo, PhD, professor i cellulär och molekylär medicin och chef för Center for RNA Biology vid UC San Diego School av medicin. "Våra fynd kullkastar antagandet att dessa slingor är fasta funktioner som är fasta och antyder att slingbildning är dynamiskt reglerad."
Celler måste noggrant reglera hur de läser instruktioner från sina genom för att producera funktionella produkter, till exempel proteiner som utför olika cellulära funktioner. Sättet som celler paketerar, arrangerar och viker sina genom till tre dimensioner spelar en avgörande roll för genreglering. Dessa organisatoriska principer bestämmer vilka segment av DNA som nås och tolkas av det cellulära maskineriet som ansvarar för att läsa och transkribera gener.
Den mest grundläggande enheten för genomveckning involverar looping, där avlägsna regioner av DNA kommer fysiskt i kontakt med varandra för att hjälpa till att orkestrera genuttryck. Slingor tros sammanföra proteiner som driver genuttryck, vilket gör att de kan interagera och utföra sina funktioner effektivt.
COLA-metoden gör det möjligt för forskare att samtidigt visualisera loopar och andra genomiska egenskaper, och fånga rumsliga och tidsmässiga relationer i oöverträffad detalj. "Vi har nu en metod som direkt kan korrelera förändringar i beläggning av RNA-polymeras med specifika loopingförändringar i enstaka celler", säger medförfattaren Michael Niculescu III, en doktorand i Yeo Lab.
Forskarna säger att deras fynd har breda konsekvenser för att förstå genuttryck och genomorganisation. Till exempel föreslår de att den dynamiska och fluktuerande naturen hos loopar kan tillåta celler att snabbt reagera på miljöförändringar eller utvecklingssignaler. Vid cancer och neurodegenerativa sjukdomar kan denna flexibilitet även tillåta celler att byta cellidentitet och programmera om genuttrycksprogram.
"Det finns mycket vi kan göra nu med det här verktyget", säger den första författaren Matthew Huynh, en postdoktor vid Yeo Lab. "Vi kan testa nya hypoteser och undersöka sjukdomsrelaterade regulatoriska förändringar på sätt som vi inte kunde tidigare."
Ytterligare medförfattare till denna studie är:Yuzuru Kido, UC San Diego; James McGinnis, UC San Diego; och Nicholas Ingolia, UC Berkeley.
Denna forskning finansierades delvis av National Institutes of Health (R35 GM143669, T32 GM007240), National Science Foundation (MCB-2110538), Simons Foundation (540333) och Ludwig Institute for Cancer Research.
