Multi-omic long-read sequencing reveals nucleosome control of transcriptional fidelity at the isoform level

In jeder lebenden Zelle sind die Anweisungen für den Bau und den Betrieb eines Organismus in einem langen, dünnen Molekül namens DNA geschrieben. Um dieses massive Molekül in einen mikroskopisch kleinen Raum zu passen, wird es eng um spindelförmige Proteine namens Nukleosomen gewickelt. Stellen Sie sich diese Spulen wie Perlen auf einer Schnur vor. Diese Wicklung dient nicht nur der Platzersparnis; sie fungiert als Torwächter. Wenn die DNA eng gewickelt ist, kann die Maschinerie der Zelle die Anweisungen nicht lesen. Wenn die Spulen zur Seite geschoben oder entfernt werden, werden die Anweisungen zugänglich und die Zelle kann mit der Arbeit beginnen. Die Zelle verwendet spezielle Proteine, die als Remodeler bekannt sind, um diese Spulen entlang der DNA-Schnur gleiten zu lassen, wodurch bestimmte Abschnitte geöffnet werden, um Gene zu lesen, und sie wieder geschlossen werden, wenn die Aufgabe erledigt ist. Dieser Prozess ist entscheidend, da ein einzelnes Gen auf unterschiedliche Weise gelesen werden kann, um verschiedene Versionen eines Proteins zu erzeugen, und die präzise Anordnung dieser Spulen hilft zu bestimmen, welche Version hergestellt wird.

Lange Zeit kämpften Wissenschaftler damit, zu sehen, wie diese Spulenanordnung auf einem spezifischen Stück DNA die exakte Version eines Proteins beeinflusste, die aus genau demselben Stück DNA entstand. Frühere Methoden waren wie eine unscharfe Fotografie einer Menschenmenge; sie konnten zwar die durchschnittliche Anzahl der Menschen im Raum feststellen, aber sie konnten nicht sagen, welche spezifische Person neben welchem spezifischen Objekt stand. Sie konnten nicht sehen, ob die Spulen am Anfang eines Gens offen und in der Mitte geschlossen waren, und zwar auf derselben DNA-Strang. Ohne diese klare Sicht war es unmöglich zu verstehen, wie der physische Zustand der DNA die endgültige genetische Botschaft direkt formte.

Ein Team von Forschern an der University of California, Santa Cruz, beschloss, dieses Problem zu lösen, indem es einzelne DNA-Stränge betrachtete, anstatt Durchschnittswerte zu nehmen. Sie arbeiteten mit Bäckerhefe, einem einfachen Organismus, der häufig zur Untersuchung der grundlegenden Zellbiologie verwendet wird. Die Wissenschaftler entfernten zwei spezifische Proteine, ISW1 und CHD1, die als Spulenbeweger der Zelle fungieren. Ohne diese Proteine verlieren die Spulen auf der DNA-Schnur ihre geordnete Anordnung. Die Forscher verwendeten daraufhin eine leistungsstarke neue Sequenzierungstechnologie, die in der Lage ist, sehr lange Stränge von DNA und RNA in einem Durchgang zu lesen. Dies ermöglichte es ihnen, einen einzelnen DNA-Faser zu betrachten, genau zu sehen, wo sich die Spulen befanden, und dann die RNA-Botschaft zu untersuchen, die aus genau derselben Faser produziert wurde, um zu sehen, was die Zelle tatsächlich gebaut hatte.

Sie entwickelten eine neue Computermethode, um die einzelnen DNA-Stränge basierend darauf in Gruppen zu sortieren, wie offen oder geschlossen die Spulen am Anfang des Gens und in der Mitte des Gens waren. Sie fanden heraus, dass die Zelle die Spulen nicht einfach zufällig durcheinanderbrachte, wenn die Spulen bewegenden Proteine fehlten. Stattdessen bewegten sich die Spulen auf koordinierte Weise. Auf vielen DNA-Strängen bewegten sich die Spulen, die normalerweise am Anfang eines Gens saßen, in die Mitte des Gens, während die Mitte des Gens offen wurde. Diese Verschiebung änderte die Anweisungen, denen die Zelle folgte. Gene, die normalerweise ruhig waren, wurden aktiv, und Gene, die normalerweise laut waren, wurden leiser.ت Wichtiger noch: Die Zelle begann, die Gene von den falschen Startpunkten aus zu lesen, was andere Versionen der genetischen Botschaft erzeugte als üblich.

Die Studie zeigte auf, dass diese Änderung der Spulenanordnung die direkte Ursache dafür war, dass die Zelle unterschiedliche Versionen von Proteinen herstellte. Wenn die Spulen am falschen Ort waren, hatte die Lesemaschine der Zelle, die RNA-Polymerase, Schwierigkeiten, reibungslos entlang der DNA zu gleiten. Sie begann zwar zu lesen, blieb dann aber stehen oder fiel ab, bevor sie die Arbeit beenden konnte. Dies war besonders bei Genen der Fall, die normalerweise sehr aktiv waren. Die Forscher fanden auch heraus, dass die Zelle Probleme hatte, unnötige Teile der genetischen Botschaft auszuschneiden, ein Prozess, der als Spleißen bezeichnet wird. Da die Spulen nicht korrekt positioniert waren, konnte die Maschinerie, die diesen Schnitt durchführt, ihre Aufgabe nicht effizient erfüllen, was zu unvollständigen oder fehlerhaften Botschaften führte.

Eine der überraschendsten Erkenntnisse war, dass die Zelle versuchte, diese Fehler zu kompensieren, indem sie begann, von verborgenen Stellen innerhalb der Gene zu lesen. Diese verborgenen Stellen sahen wie normale Startpunkte aus, wurden aber normalerweise durch Spulen blockiert. Als die spulenbewegenden Proteine fehlten, öffneten sich diese verborgenen Stellen, und die Zelle begann, von dort aus zu lesen. Das bedeutete, dass die Zelle eine Mischung aus korrekten und inkorrekten Botschaften produzierte, oft aus demselben Gen zur gleichen Zeit. Die Forscher zeigten, dass das spezifische Muster der Spulen auf einem einzelnen DNA-Strang genau vorhersagen konnte, welche Version der Botschaft die Zelle produzieren würde.

Die Studie schloss auch eine verbreitete Idee aus, wonach die Lesemaschine der Zelle mit anderen Maschinen kollidierte, die versuchten, von diesen verborgenen Stellen aus zu lesen. Die Daten zeigten, dass die Verlangsamung auch dann auftrat, wenn keine anderen Maschinen im Weg waren. Stattdessen war das Problem schlichtweg, dass der DNA-Strang selbst zu chaotisch war. Ohständen die regelmäßige Anordnung der Spulen fehlte, konnte die Lesemaschine nicht effizient hindurchdrücken. Dieser Mangel an Ordnung erschwerte es auch der Zelle, die überschüssigen Teile der Botschaft auszuschneiden, was zu mehr Fehlern im Endprodukt führte.

Indem sie die Maschinerie der Zelle Strang für Strang betrachteten, demonstrierten die Forscher, dass die physische Organisation der DNA ein präzises Kontrollsystem ist. Sie schaltet Gene nicht nur an oder aus, sondern bestimmt exakt, wie die Anweisungen gelesen und verarbeitet werden. Wenn die Proteine, die die DNA organisieren, entfernt werden, verliert das System seine Treue, was zu einer chaotischen Mischung genetischer Botschaften führt. Diese Arbeit liefert ein klares Bild davon, wie die physische Struktur unseres genetischen Codes die komplexe Vielfalt der Proteine beeinflusst, die das Leben möglich machen, und zeigt, dass die Anordnung der Spulen genauso wichtig ist wie die Buchstaben, die auf dem DNA-Strang selbst geschrieben stehen.