Dual regulation of chemical stress-induced DDI2/3 expression by a transcription factor Fzf1 and nucleosome in Saccharomyces cerevisiae

Dentro ogni cellula vivente, il codice genetico non fluttua liberamente come fili sciolti; è strettamente avvolto attorno a rocchetti proteici chiamati nucleosomi. Immaginate un lungo e delicato nastro di istruzioni avvolto attorno a una serie di rocchetti per mantenerlo organizzato e compatto. Questo confezionamento agisce come un guardiano, decidendo quali parti del nastro genetico siano accessibili al macchinario che le legge e quali parti rimangano sigillate. Nel mondo microscopico del lievito di birra, un organismo unicellulare spesso usato per studiare come funziona la vita, questo sistema di confezionamento è cruciale per la sopravvivenza. Quando il lievito incontra sostanze chimiche nocive, deve sbloccare rapidamente geni specifici per produrre proteine che possano neutralizzare la minaccia. Per molto tempo, gli scienziati hanno compreso che era necessaria una specifica proteina, che agisce come una chiave, per aprire questi geni. Tuttavia, l'esatto meccanismo attraverso il quale questa chiave funzionava, specialmente quando il nastro genetico era strettamente avvolto, rimaneva un mistero.

I ricercatori si sono recentemente posti l'obiettivo di capire come un gene specifico del lievito, noto come DDI2, riesca ad attivarsi con una velocità e una potenza così incredibili quando la cellula è esposta a sostanze chimiche tossiche come il cianammide o il metil metansolfonato. Sebbene altri geni del lievito rispondano a queste stesse sostanze chimiche, lo fanno con un segnale molto più debole. Il team voleva sapere perché DDI2 fosse molto più reattivo. Sospettavano che la risposta non risiedesse solo nella chiave stessa, ma nel modo in cui la chiave interagiva con i rocchetti del confezionamento del DNA. Utilizzando una combinazione di ingegneria genetica e trattamenti chimici, hanno scoperto che il gene è mantenuto in uno stato di profondo silenzio dal serrato avvolgimento del suo DNA. Per attivarlo, la cellula non deve semplicemente sbloccare la porta; deve prima allentare l'avvolgimento stesso, un processo che richiede un'azione duale unica dalla proteina regolatrice.

L'indagine è iniziata esaminando la regione immediatamente precedente l'inizio del gene DDI2, nota come promotore. Quest'area funge da pannello di controllo dove le proteine regolatrici si legano per dire al gene quando iniziare a lavorare. Gli scienziati hanno scoperto che questo pannello di controllo contiene una sequenza specifica che una proteina chiamata Fzf1 riconosce e a cui si lega. Tuttavia, il semplice possesso di questo sito di legame non era sufficiente per spiegare l'enorme aumento dell'attività genica osservato quando il lievito veniva trattato con sostanze chimiche. Per trovare l'elemento mancante, i ricercatori hanno rimosso sistematicamente delle sezioni del promotore in un ambiente di laboratorio. Hanno scoperto un lungo tratto di DNA, che si estendeva per quasi 500 unità di codice genetico, che agiva come un potente freno, mantenendo il gene spento anche in presenza del segnale chimico. Quando hanno rimosso questa sezione frenante, il gene ha iniziato ad attivarsi spontaneamente, suggerendo che questa regione fosse la ragione primaria per cui il gene rimaneva silente in condizioni normali.

Ulteriori indagini hanno rivelato che questa regione frenante non era solo una sequenza di lettere sul DNA; era una barriera fisica. I ricercatori hanno scoperto che questo specifico tratto di DNA era strettamente avvolto attorno a tre nucleosomi, i rocchetti proteici menzionati in precedenza. Questo avvolgimento stretto bloccava fisicamente la proteina regolatrice dal svolgere il suo compito. Il team ha poi testato l'ipotesi che i trattamenti chimici stessi potessero allentare questo confezionamento. Hanno trattato le cellule di lievito con le sostanze chimiche tossiche e misurato i livelli delle proteine istoniche che costituiscono i nucleosomi. Hanno scoperto che le sostanze chimiche causavano una significativa diminuzione della quantità di queste proteine all'interno della cellula, assottigliando efficacemente i rocchetti e allentando il DNA. Questa deplezione avveniva indipendentemente dalla presenza della proteina regolatrice, indicando che le sostanze chimiche stesse stavano danneggiando la capacità della cellula di mantenere la propria struttura di confezionamento.

Per vedere se questo assottigliamento del packaging fosse sufficiente a spiegare il comportamento del gene, i ricercatori hanno utilizzato un ceppo speciale di lievito in cui potevano rimuovere artificialmente le proteine istoniche cambiando la fonte di cibo consumata dalle cellule. Quando gli istoni venivano meno, il gene DDI2 si attivava, ma solo a un livello moderato. Aumentava la sua attività di circa trenta volte, il che era significativo, ma molto lontano dall'esplosione di attività di mille volte osservata quando venivano aggiunte le sostanze chimiche. Questo risultato è stato un indizio critico. Ha mostrato che, sebbene lentificare il confezionamento del DNA fosse necessario, non era tutta la storia. Le sostanze chimiche stavano facendo anche qualcos'altro.

I ricercatori hanno poi combinato le due condizioni: hanno utilizzato il ceppo speciale di lievito con gli istoni depleti e hanno aggiunto il trattamento chimico. In questo scenario, l'attività del gene è schizzata alle stelle di nuovo, raggiungendo livelli comparabili a quelli osservati nelle cellule normali trattate con la sostanza chimica. Ciò ha dimostrato che il segnale chimico e l'allentamento del confezionamento stavano lavorando insieme. Il trattamento chimico faceva due cose: riduceva il numero di proteine istoniche, rendendo il DNA più accessibile, e attivava la proteina regolatrice Fzf1 per svolgere il suo compito. Senza la proteina regolatrice, anche con il DNA avvolto in modo lasso, il gene non si sarebbe attivato in risposta alla sostanza chimica. La proteina era essenziale sia per riconoscere il segnale, sia per aiutare a spostare i nucleosomi rimanenti che stavano ancora bloccando il gene.

Lo studio ha esaminato anche altri geni che sono regolati dalla stessa proteina, Fzf1. Questi geni rispondevano in modo molto diverso agli stessi trattamenti chimici. Alcuni si attivavano solo leggermente, mentre altri venivano effettivamente spenti quando gli istoni venivano rimossi. Questa differenza era spiegata dal modo unico in cui il DNA di ciascun gene era avvolto. Per il gene DDI2, l'avvolgimento stretto era una barriera che, una volta rimossa, permetteva un massiccio aumento dell'attività. Per altri geni, l'avvolgimento poteva essere disposto diversamente, o i geni potevano fare affidamento sugli istoni per un altro tipo di controllo. I ricercatori hanno scoperto che il trattamento chimico riduceva il numero di nucleosomi al gene DDI2 in un modo che dipendeva interamente dalla presenza della proteina regolatrice. Se la proteina era assente, la sostanza chimica non poteva rimuovere i nucleosomi, e il gene rimaneva silente.

Il doppio ruolo della proteina regolatrice suggerisce che essa agisca come un pioniere, capace di accedere al DNA strettamente impacchettato e di aiutare a liberare la strada affinché il gene possa essere letto. I ricercatori hanno scoperto che la proteina si lega a una sequenza specifica sul DNA, ma il suo compito va oltre il semplice attaccarsi a quel punto. Essa aiuta anche a rimodellare la struttura della cromatina, spostando efficacementmente i nucleosomi per far posto in modo che il gene possa essere pienamente attivato. Questo processo in due fasi spiega perché il gene DDI2 possa rispondere in modo così drammatico allo stress chimico mentre i suoi vicini no. Il gene è trattenuto da un pesante freno coperto di nucleosomi, e il segnale chimico fornisce la forza per rilasciare quel freno, ma solo se la proteina regolatrice è presente per guidare il processo.

Le scoperte hanno anche gettato luce su come diverse sostanze chimiche influenzino la cellula di lievito. Sebbene sia il cianammide che il metil metansolfonato abbiano causato la diminuzione dei livelli di istoni e l'attivazione del gene DDI2, lo hanno fatto attraverso meccanismi differenti. Una sostanza chimica è nota per danneggiare direttamente il DNA, mentre l'altra influenza la cellula in un modo meno compreso. Nonostante queste differenze, entrambe le sostanze hanno innescato la stessa risposta nel gene, facendo affidamento sulla stessa proteina regolatrice e sullo stesso allentamento del confezionamento del DNA. Lo studio ha confermato che la proteina regolatrice è essenziale per questa risposta, poiché la sua rimozione completa ha impedito al gene di attivarsi, anche con il DNA avvolto in modo lasso.

In definitiva, la ricerca fornisce un quadro chiaro di come un singolo gene possa essere controllato da una combinazione di barriere fisiche e segnali regolatori. Il gene non viene semplicemente acceso da una chiave; la chiave deve prima aiutare a rimuovere la pesante serratura che è il confezionamento dei nucleosomi. Questa scoperta evidenzia la complessità della regolazione genica, mostrando che lo stato fisico del DNA è importante quanto le proteine che vi si legano. La capacità della proteina regolatrice di agire sia come legante che come rimodellatore suggerisce che essa svolga un ruolo unico e critico nell'aiutare la cellula di lievito a sopravvivere allo stress chimico. Comprendendo questo meccanismo, gli scienziati ottengono una comprensione più profonda di come gli organismi viventi si adattino al loro ambiente, un processo che si basa sull'intricata danza tra DNA, proteine e i segnali chimici che li circondano.