Verkehrszeichen und Ampeln auf DNA: Physikalisches Modell beschreibt die Verteilung des Nukleosoms

Verkehrszeichen und Ampeln auf DNA: Physikalisches Modell beschreibt die Verteilung des Nukleosoms
Verkehrszeichen und Ampeln auf DNA: Physikalisches Modell beschreibt die Verteilung des Nukleosoms
Anonim

Die Genome von Organismen, deren Zellen Zellkerne besitzen, bestehen aus DNA, die in sehr charakteristischer Weise verpackt ist. Der größte Teil der DNA ist fest um Proteinpartikel gewickelt, die Nukleosomen genannt werden, die durch flexible DNA-Segmente wie Perlen an einer Halskette miteinander verbunden sind. Diese Anordnung spielt eine wichtige Rolle bei der Entscheidung, welche Gene aktiv exprimiert werden und somit welche Proteine ​​in einer bestimmten Zelle synthetisiert werden können.

Die Biophysiker Professor Ulrich Gerland und Wolfram Moebius von der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) in München haben kürzlich ein Modell entwickelt, das die Verteilung von Nukleosomen um die funktionell entscheidenden Transkriptionsstartstellen erklärt.Die Transkription ist der erste Schritt in dem Prozess, der genetische Informationen in Proteine ​​umwandelt. An den Transkriptionsstartstellen muss die DNA frei von Nukleosomen sein. Die beiden Forscher entdeckten, dass deutliche Stoppsignale auf beiden Seiten dieser Zonen die Bildung und das Gleiten von Nukleosomen aktiv verhindern müssen.

"Unser Modell bietet ein nützliches Werkzeug zur Analyse des sogenannten Chromatincodes, der bestimmt, wie die DNA verpackt und selektiv für die Transkription zugänglich gemacht wird", sagt Gerland, Co-Autor der kürzlich im Online-Journal veröffentlichten Studie PLoS Computational Biology.

Bei höheren Organismen ist das Erbgut jeder Zelle in Form von kompakten Chromosomen im Zellkern verpackt. Die grundlegende Struktureinheit eines Chromosoms ist das Nukleosom. Die Nukleosomen, die jeweils aus zwei Kopien von vier verschiedenen Histonproteinen bestehen, stellen eine Art Spule dar, auf der die DNA-Stränge aufgewickelt und durch flexiblere DNA-Abschnitte wie Perlen an einer Schnur miteinander verbunden sind.Aber Nukleosomen sind nicht nur passive Verpackungen, die die DNA in kompakter Form h alten.

„Sie haben einen entscheidenden Einfluss auf die Genregulation, insofern sie mit steuern helfen, welche Abschnitte der DNA in Proteine ​​übersetzt werden können“, erklärt Gerland, Arnold Sommerfeld Center for Theoretical Physics (ASC) and Center for NanoScience (CeNS) in der Physikalischen Fakultät der LMU München. Die Zugänglichkeit der DNA ist eine primäre Determinante der Genexpression und daher von großem Interesse für Molekulargenetiker. Eine zentrale Frage ist, wie Nukleosomen um die Regionen herum verteilt sind, an denen die Transkription beginnt.

Die Auswahl der Startstelle oder des Genpromotors ist der erste entscheidende Schritt bei der Umwandlung der genetischen Information in die Bausteine ​​aller Zellen, die Proteine. Es stellt sich heraus, dass diese Promotorstellen durch das Vorhandensein einer Nukleosomen-freien Zone gekennzeichnet sind, die von einem spezifischen Muster von Nukleosomen flankiert wird.

Die biologische Funktion dieser Lücken scheint darin zu bestehen, zugängliche Andockstellen für die Transkriptionsmaschinerie bereitzustellen, die aus einem Multiproteinkomplex besteht, der aus vielen Untereinheiten besteht.Gemeinsam mit seinem Doktoranden Wolfram Moebius hat Gerland die Frage gestellt, ob nicht ein einfaches physikalisches Prinzip die charakteristische Verteilung von Nukleosomen in der Nähe von Transkriptionsstartstellen erklären könnte. Die Forscher nutzten das sogenannte Tonks-Modell, das auf Wechselwirkungen zwischen diffundierenden Partikeln zutrifft, die auf eine Dimension beschränkt sind.

"Wenn man die Position eines einzelnen Teilchens kennt, kann man mit dem Modell im statistischen Sinne die Positionen der Teilchen in der Umgebung vorhersagen", sagt Wolfram Moebius, der Erstautor der Studie der neuen Studie. „Außerdem beobachtet man ein typisches Muster von Oszillationen in der Teilchendichte.“Die Analysen zeigten, dass das Modell eines Tonks-Gases die Verteilung der Nukleosomen tatsächlich mit überraschender Genauigkeit beschreibt.“Beim Stecken abgeleitete Durchschnittswerte eine große Anzahl von Promotorregionen in das Modell ein, reproduzieren die Berechnungen die typische Variationsbreite der Nukleosomendichte, die wir in biologischen Systemen sehen", erklärt Gerland.

Das neue Modell stimmt am besten mit den biologischen Daten überein, wenn man davon ausgeht, dass die Grenzen zu beiden Seiten einer nukleosomenfreien Zone durch unterschiedliche Bedingungen definiert sind. „Auf der Seite, die näher an der Transkriptionsinitiationsstelle liegt, muss ein fixiertes Nukleosom sein, das verhindert, dass die DNA entlang gleitet, wie ein Schild mit der Aufschrift ‚Straße gesperrt‘“, erklärt Gerland. "Am anderen Ende der offenen Strecke muss es ein größeres Segment geben, das der Nukleosomen-Montage widersteht. Mit anderen Worten, es muss ein Signal geben, das als Parkverbotszeichen für Nukleosomen dient."

Die Ergebnisse von Moebius und Gerland bestätigen zum ersten Mal quantitativ ein statistisches Modell für die Verteilung von Nukleosomen im Genom, das vom amerikanischen Biochemiker Roger Kornberg vorgeschlagen wurde (der 1974 erstmals Nukleosomen entdeckte und den Nobelpreis erhielt for Medicine für seine Studien zur Struktur der RNA-Polymerase im Jahr 2009).

Das neue Modell trägt zu unserem Verständnis der Regeln bei, die bestimmen, wie die Chromosomenstruktur aufgebaut und moduliert wird.„Unsere Berechnungen sollen sicherlich dabei helfen, den sogenannten Chromatin-Code zu entschlüsseln, dessen Grundlagen nicht gut verstanden sind“, sagt Gerland. "Dieser Code liefert den Bauplan für die dreidimensionale Struktur des Genoms."

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