Human FACT complex coordinates cohesin and transcription on chromatin
Questo studio rivela che lo chaperone istonico FACT facilita la traslocazione della coesina lungo la cromatina densa di nucleosomi per promuovere un'efficiente estrusione di loop e mantenere i confini dei domini di associazione topologica, prevenendo al contempo l'accumulo aberrante della coesina nei corpi genici che altrimenti sopprimerebbe la trascrizione.
Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Questa è una spiegazione generata dall'IA di un preprint non sottoposto a revisione paritaria. Non è un consiglio medico. Non prendere decisioni sulla salute basandoti su questo contenuto. Leggi il disclaimer completo
All'interno del nucleo di ogni cellula umana, il DNA non è un filo sciolto, ma un pacchetto strettamente avvolto. Per far entrare due metri di codice genetico in uno spazio più piccolo di un granello di sabbia, la cellula avvolge il DNA attorno a proteine simili a rocchetti chiamate istoni, formando una struttura densa nota come cromatina. Questo imballaggio è essenziale per la protezione, ma crea anche una barriera fisica. Affinché la cellula possa leggere i suoi geni e produrre proteine, deve temporaneamente srotolare questi rocchetti e far muovere il macchinario lungo il DNA. Allo stesso tempo, la cellula deve organizzare questo lungo filamento di DNA in specifiche forme 3D, ripiegandolo in loop e domini in modo che i geni giusti possano comunicare con i partner giusti. Due grandi protagonisti gestiscono questo delicato equilibrio: una macchina molecolare chiamata coesina, che agisce come un anello che afferra il DNA e lo tira in loop, e una proteina di supporto chiamata FACT, che agisce come uno chaperone per aiutare il macchinario di lettura a scivolare attraverso la densa cromatina. Per molto tempo, gli scienziati sapevano che questi due sistemi erano importanti, ma non capivano come lavorassero insieme per mantenere il genoma organizzato e funzionale.
Un team di ricercatori del MRC Laboratory of Medical Sciences di Londra e di istituzioni in Giappone ha ora scoperto un legame diretto tra questi due sistemi. Utilizzando cellule umane coltivate in laboratorio, hanno scoperto che il complesso FACT fa molto di più che aiutare a leggere i geni; è anche essenziale per aiutare l'anello di coesina a muoversi lungo il DNA. I ricercatori hanno scoperto che senza FACT, la coesina si incastra. Invece di viaggiare fluidamente per formare i necessari loop che organizzano il genoma, essa si accumula nei posti sbagliati, specificamente all'interno delle sezioni attive dei geni dove non dovrebbe trovarsi. Questo blocco non solo rovina la struttura 3D del DNA, ma ostruisce fisicamente il macchinario che tenta di leggere i geni, causando un calo nella produzione di proteine essenziali.
Per osservare ciò che accadeva, gli scienziati hanno utilizzato uno strumento preciso per rimuovere la proteina FACT dalle cellule umane quasi istantaneamente. Avevano ingegnerizzato le cellule in modo che, quando veniva aggiunta una specifica ormone vegetale, chiamato auxina, la proteina FACT venisse distrutta entro trenta minuti. Ciò ha permesso loro di osservare cosa accadeva in tempo reale, senza che la cellula avesse il tempo di adattarsi o compensare. Per prima cosa, hanno verificato se l'anello di coesina potesse ancora posizionarsi sul DNA. Hanno scoperto che poteva farlo; il caricamento iniziale della coesina non era influenzato. Tuttavia, una volta sul DNA, l'anello di coesina perdeva la capacità di viaggiare. Nelle cellule sane, la coesina si muove lungo il filamento di DNA, tirandolo in loop finché non incontra un segnale di stop costituito da una proteina chiamata CTCF. Nelle cellule prive di FACT, la coesina non riusciva a raggiungere questi segnali di stop. Inveve di formare loop ordinati, il segnale della coesina diventava debole e disperso, e i grandi domini che organizzano il genoma iniziavano a perdere i loro confini netti.
I ricercatori hanno poi esaminato più da vicino dove andasse la coesina quando non riusciva a muoversi correttamente. Hanno scoperto che, in assenza di FACT, gli anelli di coesina si accumulavano nel mezzo dei geni attivi. Normalmente, il macchinario di lettura della cellula, noto come RNA polimerasi, si muove lungo questi geni per copiare il DNA in RNA. Mentre si muove, spinge gli anelli di coesa in avanti, aiutando a liberare il percorso. Ma quando FACT manca, la cromatina diventa troppo densa e difficile da navigare. Gli anelli di coesina rimangono intrappolati nei corpi genici, incapaci di essere spinti in avanti o di scivolare oltre gli ostacoli. Questo accumulo non era casuale; accadeva con maggiore intensità nei geni che venivano letti più vigorosamente. Più un gene era attivo, più la coesina si accumulava al suo interno.
Questo accumulo aveva una conseguenza diretta e dannosa per la capacità di funzionare della cellula. I ricercatori hanno scoperto che i geni in cui si accumulava la coesina subivano un brusco calo della loro attività. Gli anelli di coesina intrappolati agivano come un blocco fisico, impedendo al macchinario di lettura di passare. Per dimostrare che la coesina stessa fosse la causa di questo arresto, e non solo la mancanza di FACT, gli scienziati hanno eseguito un secondo esperimento. Hanno rimosso gli anelli di coesina dalle cellule che già mancavano di FACT. Quando hanno fatto questo, la trascrizione dei geni è recuperata. Ciò ha confermato che il problema non era solo la perdita della proteina di supporto, ma specificamente la presenza degli anelli di coesina bloccati che ostruivano il passaggio.
Lo studio rivela un meccanismo di coordinazione critico nella cellula. Il complesso FACT serve a un duplice scopo: aiuta il macchinario di lettura a muoversi attraverso la densa cromatina e, facendo così, libera il percorso affinché gli anelli di coesina possano viaggiare e costruire la struttura 3D del genoma. Quando FACT è presente, il macchinario di lettura spinge la coesina lungo il percorso, permettendole di raggiungere la sua destinazione e formare i loop che organizzano la biblioteca genetica della cellula. Quando FACT è assente, il macchinario di lettura rallenta, la coesina si incastra e la struttura del genoma collassa. Questo lavoro mostra che lo stato fisico della fibra di cromatina stessa è un regolatore chiave di come il genoma viene ripiegato e di come i geni vengono espressi, collegando la meccanica del movimento del DNA direttamente alla capacità della cellula di leggere le proprie istruzioni.
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