Human FACT complex coordinates cohesin and transcription on chromatin

Im Inneren des Zellkerns jeder menschlichen Zelle ist die DNA kein loses Seil, sondern ein eng gewickeltes Paket. Um zwei Meter genetischen Code in einen Raum einzupassen, der kleiner als ein Sandkorn ist, wickelt die Zelle die DNA um spindelförmige Proteine namens Histone und bildet so eine dichte Struktur, die Chromatin genannt wird. Diese Verpackung ist essenziell für den Schutz, schafft aber auch eine physische Barriere. Damit die Zelle ihre Gene lesen und Proteine herstellen kann, muss sie diese Spindeln vorübergehend abwickeln und Maschinen entlang der DNA bewegen. Gleichzeitig muss die Zelle diesen langen DNA-Strang in spezifische 3D-Formen organisieren, indem sie ihn in Schleifen und Domänen faltet, damit die richtigen Gene mit den richtigen Partnern kommunizieren können. Zwei Hauptakteure steuern dieses empfindliche Gleichgewicht: eine molekulare Maschine namens Cohesin, die wie ein Ring wirkt, der die DNA greift und sie in Schleifen zieht, und ein Helferprotein namens FACT, das wie ein Chaperon wirkt, um der Lesemaschine zu helfen, durch das dichte Chromatin zu gleiten. Lange Zeit wussten Wissenschaftler, dass diese beiden Systeme wichtig sind, aber sie verstanden nicht, wie sie zusammenarbeiten, um das Genom organisiert und funktionsfähig zu halten.

Einem Team von Forschern des MRC Laboratory of Medical Sciences in London und Institutionen in Japan ist es nun gelungen, eine direkte Verbindung zwischen diesen beiden Systemen aufzudecken. Unter Verwendung menschlicher Zellen, die im Labor gezüchtet wurden, entdeckten sie, dass der FACT-Komplex mehr tut, als nur beim Lesen von Genen zu helfen; er ist auch essenziell dafür, dem Cohesin-Ring zu helfen, sich entlang der DNA zu bewegen. Die Forscher fanden heraus, dass ohne FACT das Cohesin stecken bleibt. Anstatt sich reibungslos zu bewegen, um die notwendigen Schleifen zu bilden, die das Genom organisieren, häuft es sich an den falschen Stellen an, insbesondere innerhalb der aktiven Abschnitte von Genen, wo es eigentlich nicht sein sollte. Diese Blockade ruiniert nicht nur die 3D-Struktur der DNA, sondern blockiert auch physisch die Maschinerie, die versucht, die Gene zu lesen, was zu einem Rückgang der Produktion essenzieller Proteine führt.

Um dies zu beobachten, setzten die Wissenschaftler ein präzises Werkzeug ein, um das FACT-Protein fast augenblicklich aus menschlichen Zellen zu entfernen. Sie hatten die Zellen so manipuliert, dass das FACT-Protein zerstört wird, sobald ein spezifisches Pflanzenhormon namens Auxin hinzugefügt wird, was innerhalb von dreißig Minuten geschieht. Dies ermöglichte es ihnen, zuzusehen, was passiert, ohne dass die Zelle Zeit hat, sich anzupassen oder zu kompensieren. Zuerst überprüften sie, ob der Cohesin-Ring noch in der Lage war, auf die DNA zu gelangen. Sie fanden heraus, dass dies möglich war; die anfängliche Beladung des Cohesins war unbeeinflusst. Sobald es jedoch auf der DNA war, verlor der Cohesin-Ring seine Fähigkeit zu wandern. In gesunden Zellen bewegt sich Cohesin entlang des DNA-Strangs und zieht ihn in Schleifen, bis es auf ein Stoppschild trifft, das aus einem Protein namens CTCF besteht. In den Zellen ohne FACT scheiterte das Cohesin daran, diese Stoppschilder zu erreichen. Anstatt ordentliche Schleifen zu bilden, wurde das Cohesin-Signal schwach und verstreut, und die großflächigen Domänen, die das Genom organisieren, begannen, ihre scharfen Grenzen zu verlieren.

Die Forscher schauten dann genauer hin, wohin das Cohesin ging, wenn es sich nicht richtig bewegen konnte. Sie entdeckten, dass die Cohesin-Ringe in Abwesenheit von FACT in der Mitte aktiver Gene akkumulierten. Normalerweise bewegt sich die Lesemaschine der Zelle, bekannt als RNA-Polymerase, entlang dieser Gene, um die DNA in RNA zu kopieren. Während sie sich bewegt, schiebt sie die Cohesin-Ringe vor sich her und hilft so, den Weg freizumachen. Aber wenn FACT fehlt, wird das Chromatin zu dicht und schwierig zu navigieren. Die Cohesin-Ringe bleiben in den Genkörpern hängen, unfähig, vorwärts geschoben zu werden oder an den Hindernissen vorbeizugleiten. Diese Akkumulation war nicht zufällig; sie trat am stärksten in den Genen auf, die am intensivsten gelesen wurden. Je aktiver ein Gen war, desto mehr Cohesin häufte sich darin an.

Diese Anhäufung hatte eine direkte und schädigende Folge für die Funktionsfähigkeit der Zelle. Die Forscher fanden heraus, dass die Gene, in denen sich das Cohesin ansammelte, einen starken Rückgang ihrer Aktivität verzeichneten. Die gefangenen Cohesin-Ringe wirkten wie eine physische Straßensperre, die die Lesemaschine am Passieren hinderte. Um zu beweisen, dass das Cohesin selbst die Ursache für diesen Stillstand war und nicht nur der Mangel an FACT, führten die Wissenschaftler ein zweites Experiment durch. Sie entfernten die Cohesin-Ringe aus den Zellen, denen bereits FACT fehlte. Als sie dies taten, erholte sich die Transkription der Gene. Dies bestätigte, dass das Problem nicht nur der Verlust des Helferproteins war, sondern spezifisch die Anwesenheit der steckengebliebenen Cohesin-Ringe, die den Weg blockierten.

Die Studie zeigt einen kritischen Koordinationsmechanismus in der Zelle auf. Der FACT-Komplex erfüllt einen doppelten Zweck: Er hilft der Lesemaschine, sich durch das dichte Chromatin zu bewegen, und tut dies, indem er den Weg für die Cohesin-Ringe ebnet, damit diese reisen und die 3D-Struktur des Genoms aufbauen können. Wenn FACT vorhanden ist, schiebt die Lesemaschine das Cohesin vor sich her, was es ermöglicht, sein Ziel zu erreichen und die Schleifen zu bilden, die die genetische Bibliothek der Zelle organisieren. Wenn FACT fehlt, verlangsamt sich die Lesemaschine, das Cohesin bleibt stecken und die Struktur des Genoms bricht zusammen. Diese Arbeit zeigt, dass der physische Zustand der Chromatinfaser selbst ein Schlüsselregulator dafür ist, wie das Genom gefaltet wird und wie Gene exprimiert werden, wodurch die Mechanik der DNA-Bewegung direkt mit der Fähigkeit der Zelle verknüpft wird, ihre eigenen Anweisungen zu lesen.