Forskargruppen, ledd av Andrei Chavan, PhD, en före detta postdoktor i laboratoriet av Shelley L. Berger, PhD, framstående professor vid Institutionen för kemi och biokemi vid UC San Diego, kombinerade enmolekylexperiment och beräkningssimuleringar för att undersöka hur den ATP-beroende kromatinremodelleraren ACF (ATP-utilizing chromatin assembly and remodeling factor) packar upp DNA.
DNA är molekylen som bär instruktionerna för en organisms utveckling och egenskaper, men dess långa, strängliknande struktur måste organiseras och förpackas i celler för att passa in i kärnan. För att göra detta lindas DNA runt histoner för att bilda "nukleosomer", som är de grundläggande enheterna för kromatin.
När en gen behöver transkriberas (det första steget i genuttryck), måste DNA:t packas upp från histonerna så att transkriptionsmaskineriet kan komma åt det. Tidigare trodde forskare att DNA-avveckling skedde genom kraftfull avhysning av histoner, en process som kallas nukleosomdemontering.
Den nya studien avslöjar dock en alternativ mekanism, inducerad upplindning, som involverar progressiv upplindning av DNA från histoner utan fullständig demontering av nukleosom.
"Vi fann att ACF-bindning ensam kan få DNA att börja packas upp, och denna öppning av DNA underlättar transkriptionsinitiering", säger Chavan, nu postdoktor vid Stowers Institute for Medical Research i Kansas City, Missouri.
Forskarna använde experiment med en molekyl för att exakt mäta hur DNA lindas upp från nukleosomen före och efter ACF-bindning, och deras resultat visade att ACF kunde få DNA att lindas upp med cirka 1,75 varv runt histonoktameren.
"Våra simuleringar stödde och utökade de experimentella fynden, vilket gjorde det möjligt för oss att visualisera hur ACF initialt känner igen och binder till nukleosomen, och hur den påbörjar processen med att packa upp DNA", säger medförfattaren Olga Popa, PhD, en före detta postdoktor i Berger-laboratoriet och nu biträdande professor i fysik och integrativ STEM-utbildning vid MiraCosta College i Oceanside, Kalifornien.
Arbetet identifierar inte bara inducerad upplindning som en distinkt mekanism för DNA-avveckling utan belyser också hur andra enzymer kan utveckla DNA för att reglera genuttryck. Gendysreglering är associerad med många sjukdomar, inklusive cancer, och att förstå mekanismerna genom vilka DNA organiseras och nås är ett kritiskt steg mot att utveckla terapier för att återställa normala genuttrycksmönster.
"ACF-inducerad DNA-uppackning är ett viktigt nytt koncept inom kromatinbiologi, som ger en reviderad bild av hur ombyggnadskomplex får tillgång till DNA för genreglering", säger Berger. "Forskningen berikar inte bara vår grundläggande förståelse av genuttryck utan identifierar också potentiella nya mål för terapeutisk intervention i sjukdomar som är ett resultat av avvikande genreglering."
