Förpackningsmetoden för det genomiska DNA:t i cellkärnan bestämmer mönster för genuttryck. Münchens forskare har använt DNA-baserade nanopincetter för att mäta krafterna mellan nukleosomer, de grundläggande förpackningsenheterna för kärn -DNA.

Varje mänsklig cell innehåller cirka två meter deoxiribonukleinsyra (DNA), som kodar för den genetiska informationen som specificerar cellulära strukturer och funktioner. Dessutom, detta "genomiska" DNA packas in i cellkärnan, som är mindre än 10 mikrometer i diameter. Detta innebär att kärn -DNA måste packas, främst genom att interagera med specifika proteiner. Grundförpackningsenheten är en partikel tillverkad av proteiner som kallas histoner, runt vilket DNA är lindat. Jämförbar med små spolar, dessa strukturer kallas nukleosomer. Nukleosomer är i sin tur kopplade till varandra genom segment av DNA som sträcker sig mellan kärnpartiklarna och inte lindas runt dem. Sett under elektronmikroskopet, DNA packat i nukleosomer liknar pärlor på en sträng.

Nästa förpackningsnivå innebär inbördes interaktion mellan nukleosomer, och de resulterande strukturerna av högre ordning har ännu inte helt karaktäriserats. Ett team av forskare under ledning av Hendrik Dietz från Münchens tekniska universitet och Philipp Korber vid LMU:s biomedicinska centrum har nu tagit ett stort steg mot att lösa detta pussel:För första gången någonsin, de har lyckats direkt mäta attraktionskrafterna som verkar mellan nukleosomer. Deras resultat visas i tidskrifterna Vetenskapliga framsteg och Nano bokstäver .

DNA origami:Integrering av nukleosomer i pincetten

Dietz, innehavare av stolen för experimentell biofysik vid TUM, använder DNA som ett konstruktionsmaterial för att bygga molekylära strukturer - en teknik som kallas DNA -origami. Han och hans team har nu använt metoden för att skapa strukturer bestående av två stela DNA -stänger som är anslutna med en flexibel led som fungerar som en fjäder. Dessa kan användas som en pincett för att mäta styrkan hos interaktionerna mellan nukleosomer. En nukleosom är fäst vid varje arm på pincetten. "Vi kan styra positionen och orienteringen för nukleosomerna i DNA -pincetten med en mycket hög grad av precision, "säger Dietz." Det här är mycket viktigt när det gäller att verkligen kunna mäta interaktionerna. "

LMU -forskarna tog på sig uppgiften att utveckla nukleosomstrukturer som kan integreras i pincetten. Philipp Korber, Privatdozent och gruppledare vid ordföranden för molekylärbiologi vid BMC, förklarar:"Normalt är de två dubbelsträngade ändarna av DNA:t som spolats runt nukleosomen väldigt nära varandra. Men det vi behövde var två utskjutande enkelsträngar, närmare mitten. Detta var en viktig fråga, eftersom en sådan konfiguration kan destabilisera hela strukturen. Vår teammedlem Corinna Lieleg lyckades ändå hitta rätt plats för dessa handtag. "

Forskarna kunde mäta en mycket svag interaktion mellan integrerade nukleosomer, motsvarande en attraktionskraft på 1,6 kcal/mol, vid ett intervall av cirka 6 nanometer (nm). Nukleosomernas orienteringar i förhållande till varandra befanns knappast ha någon effekt. Dock, särskilda kemiska modifieringar i histonproteinerna försvagade ytterligare interaktionerna.

Problemet med 30 nm fiber

Resultatet kan hjälpa till att lösa en aktuell vetenskaplig tvist. Enligt den nuvarande teorin, nukleosomer bildar en typ av superspiral med en diameter på 30 nanometer, den så kallade 30-nm fibern. Än så länge, dock, denna 30-nm-struktur av högre ordning har aldrig observerats i levande celler. Huruvida kromatinet verkligen tar formen av en sådan superspiral är fortfarande mycket kontroversiellt. Verkligen, minutens attraktionskrafter mellan nukleosomerna, som forskarna nu framgångsrikt har mätt, verkar motsäga teorin. "Vår data pekar på mycket mjuka strukturer som lätt deformeras av yttre påverkan, säger Dietz.

Hur nukleosomer är organiserade i strukturer av högre ordning är en grundläggande viktig fråga, eftersom det har djupa konsekvenser för kontrollen av genuttryck. Endast de gener som ligger inom relativt icke-kompakt kromatin är tillgängliga för 'aktivering', vilket gör att proteinerna som de kodar kan produceras av cellulära maskiner.

Genreglering genom DNA -förpackningar går snett i cancerceller

"Under de senaste tio åren har det blivit klart att många av de förändringar och mutationer som omvandlar celler till cancerceller sker på denna nivå, "Säger Korber. I en cancercell, de normala mekanismerna som avgör vilka gener som är aktiva och vilka som är inaktiva störs. Genomiska regioner som inte ska vara tillgängliga lämnas öppna och vice versa. "Dock, om bara förpackningen är defekt, och inte själva genen, det borde i princip vara möjligt att återställa rätt förpackning igen. "

Forskarna planerar att använda den molekylära pincetttekniken för att undersöka andra strukturer. "Inom biologin är orienteringen av strukturer med avseende på varandra alltid viktig, "säger Korber." Nu har vi en slags molekylär klämma som vi kan använda för att specifikt styra den rumsliga orienteringen av strukturer mot varandra. "