Bagaimana “pengatur utama” sel membuat DNA tersedia untuk ekspresi gen

Wawasan baru tentang protein yang disebut ‘faktor utama’ membantu menjelaskan kemampuan mereka yang tidak biasa untuk membuka materi genetik yang biasanya padat di dalam sel kita. Perilaku ini membuat materi genetik tersedia untuk protein yang terlibat dalam proses seluler penting, seperti replikasi dan perbaikan DNA, ekspresi gen, dan pembuatan protein.

Studi yang dilakukan oleh tim peneliti dari Penn State dan Ohio State University, menggunakan kombinasi unik dari biologi struktural, biofisika, dan biologi sel untuk memahami bagaimana “pengatur utama” genom berinteraksi dengan nukleosom – unit dasar genom. di semua sel eukariotik, yang berkisar dari ragi hingga Manusia.

DNA di dalam inti sel umumnya melilit protein yang disebut histon dan dikemas menjadi kompleks padat yang disebut nukleosom. Nukleosom, yang seperti manik-manik pada untaian DNA, berkumpul bersama untuk membentuk kromatin, yang kemudian membentuk kromosom.

“Nukleosom adalah penghalang bagi banyak protein untuk berikatan dengan kromatin, tetapi faktor utama memiliki sifat khusus yang dapat menyerang nukleus dan menghasilkan daerah terbuka yang dapat diakses oleh faktor lain,” kata Lu Bei, asisten profesor biokimia. dan biologi molekuler dan fisika di Penn State dan salah satu pemimpin tim peneliti.

“Karena itu, mereka terkadang dipandang sebagai ‘pengatur utama’ gen. Dalam penelitian ini, kami menggunakan kombinasi pendekatan untuk lebih memahami bagaimana faktor pemicu dapat menyerang gen.”

Studi ini muncul di jurnal sel molekuler.

Faktor timbal adalah jenis faktor transkripsi – protein yang penting untuk proses transkripsi, di mana DNA ditranskripsi menjadi cetak biru RNA untuk membuat protein. Sementara banyak faktor transkripsi dapat berikatan dengan nukleosom, kebanyakan dari faktor transkripsi tersebut lepas dengan sangat cepat. Sebaliknya, faktor perintis memiliki apa yang disebut ‘mekanisme kompensasi disosiasi’ yang memungkinkan mereka tetap terikat secara stabil pada nukleosom untuk jangka waktu yang lama.

Tim peneliti membandingkan faktor transkripsi terkemuka yang disebut Cbf1 dan faktor transkripsi non-terkemuka yang disebut Pho4 dalam ragi pemula. Kedua protein memiliki struktur umum yang mirip dan kemampuan untuk mengenali urutan DNA yang sama, tetapi mereka berperilaku berbeda di sekitar nukleus. Menggunakan teknik pencitraan sensitif yang disebut cryo-electron microscopy, para peneliti menentukan struktur faktor utama yang mereka yakini berkontribusi pada kemampuannya untuk menyerang nukleus.

“Berdasarkan struktur cryo-electron microscopy, Cbf1 berinteraksi tidak hanya dengan bagian DNA nukleosom, tetapi juga dengan histon di dalam nukleus melalui wilayah heliks-heliksnya,” kata Song Tan, Profesor Biologi Molekuler di Fern M. Universitas Willaman. Penn State dan salah satu pemimpin tim peneliti. “Kami menduga bahwa interaksi ini membantu mencegah Cbf1 terdisosiasi secepat mungkin dari faktor-faktor non-terkemuka.”

Untuk mengkonfirmasi peran wilayah heliks-heliks, tim peneliti membuat “chimera” untuk setiap protein, menghilangkan heliks-heliks dari faktor transkripsi utama dan menambahkan satu ke faktor transkripsi non-terkemuka. Kemudian mereka mengukur seberapa cepat chimera ini terpisah dari nukleosom.

“Menghilangkan heliks heliks dari zat utama menyebabkan disosiasi lebih cepat, menghasilkan fenomena kompensasi pemisahan yang lebih sedikit dan zat utama yang secara signifikan kurang efektif,” kata Michael Poirier, profesor dan ketua Departemen Fisika di Ohio State dan salah satu pemimpin. dari tim peneliti. “Hebatnya, penambahan wilayah helix-helix menganugerahkan sifat-sifat agen utama ke agen non-terkemuka.”

Untuk lebih mengkonfirmasi temuan mereka, para peneliti mengeksplorasi bagaimana chimera ini berfungsi di dalam sel ragi hidup. Mereka menemukan bahwa faktor utama dan chimera non-utama dimodifikasi untuk bertindak sebagai faktor utama yang memfasilitasi invasi dan pembukaan nukleosom. Secara kolektif, temuan ini membantu menjelaskan bagaimana faktor utama seperti Cbf1 dapat memperoleh akses ke nukleosom dan meningkatkan aksesibilitas DNA untuk faktor lain.

“Studi ini tidak akan mungkin terjadi tanpa kombinasi keahlian dari tiga kelompok kami yang terpisah,” kata Tan.

“Kelompok saya berfokus pada biologi struktural, kelompok Michael Poirier di Ohio State berfokus pada biofisika molekul tunggal, dan kelompok Le Bay di Penn State berfokus pada biologi sel in vivo. Ini adalah kolaborasi sinergis yang luar biasa dan menghasilkan ide dan hasil yang tidak diciptakan dengan satu kelompok atau Bahkan dua kelompok kami sendiri. Kami melanjutkan kolaborasi ini untuk mengeksplorasi interaksi faktor utama lainnya dan nukleosom.”