Distinguishing insulators from enhancers by their ability to block long-range contacts using HiCAggR
Lo studio introduce HiCAggR, un pacchetto Bioconductor che sfrutta l'aggregazione ad alta risoluzione dei dati Hi-C per distinguere gli isolatori dagli enhancer quantificando la loro capacità di bloccare i contatti promiscui a lungo raggio tra enhancer e promotori, rivelando che la deplezione degli isolatori porta a contatti aberranti e a una diffusa deregolazione genica.
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
Dentro ogni cellula, il DNA che contiene le nostre istruzioni genetiche non è un filo sciolto, ma una struttura tridimensionale densamente compattata. Per entrare nel microscopico nucleo, questa lunga molecola viene ripiegata in distinti quartieri chiamati domini di associazione topologica, o TAD. Pensate a questi quartieri come alle stanze di una casa dove avvengono attività specifiche. All'interno di ogni stanza, il macchinario che legge i geni può trovare facilmente gli interruttori corretti, noti come enhancer, per attivare i geni. Tuttavia, per prevenire il caos, le pareti tra queste stanze sono rinforzate da proteine speciali chiamate isolatori. Questi isolatori agiscono come barriere, impedendo a un interruttore in una stanza di attivare accidentalmente un gene in una stanza vicina. Per decenni, gli scienziati hanno dibattuto quanto rigorosamente funzionino queste barriere e se siano essenziali per mantenere organizzato il genoma o se servano un ruolo più sottile e dinamico nel controllare come i geni vengono espressi.
Un team di ricercatori dell'Università di Tolosa e della Simon Fraser University ha ora fornito un quadro più chiaro di come funzionano queste barriere, rivelando che il loro compito principale non è solo quello di tenere insieme la struttura del genoma, ma di bloccare attivamente le connessioni indesiderate. Gli scienziati si sono concentrati su una specifica proteina isolatrice nei moscerini della frutta chiamata BEAF-32. Rimuovendo questa proteina dalle cellule, hanno potuto osservare cosa accadeva quando le barriere venivano indebolite. Utilizzando un nuovo strumento computazionale che hanno sviluppato chiamato HiCAggR, che agisce come un microscopio ad alta potenza per osservare come diverse parti del genoma si tocchino tra loro, il team ha scoperto che la perdita di questi isolatori non ha causato il collasso dei grandi quartieri, o TAD. La struttura complessiva del genoma è rimasta sorprendentemente stabile. Tuttavia, l'assenza dell'isolatore ha permesso la formazione di nuove connessioni accidentali tra parti distanti del DNA che erano precedentemente tenute separate.
Queste nuove connessioni, che i ricercatori chiamano "leakages" (perdite), hanno permesso agli enhancer di raggiungere oltre la barriera e attivare geni che non avrebbero mai dovuto toccare. Nei moscerini della frutta in cui la proteina isolatrice è stata rimossa, centinaia di geni che avrebbero dovuto rimanere silenti sono stati accesi. I ricercatori hanno scoperto che queste perdite non erano casuali; si verificavano specificamente nei siti in cui la proteina isolatrice si trova solitamente. Quando la proteina era presente, bloccava con successo questi contatti a lungo raggio. Quando non c'era, i filamenti di DNA potevano incurvarsi e toccarsi attraverso il confine, creando un ponte tra un enhancer e un promotore genico che avrebbero dovuto essere separati. Questo processo ha portato a un aumento significativo dell'attività dei geni situati vicino a queste barriere violate, scombinando efficacemente le normali istruzioni per la cellula.
Per comprendere l'impatto completo di queste perdite, il team ha esaminato le singole cellule piuttosto che il comportamento medio di un grande gruppo. Hanno scoperto che, quando la barriera dell'isolatore veniva compromessa, l'espressione dei geni diventava molto più variabile da una cellula all'altra. Alcune cellule potevano attivare un gene con forza, mentre una vicina con lo stesso corredo genetico poteva mantenerlo spento. Ciò suggerisce che, senza l'isolatore a regolare rigorosamente questi contatti, l'interazione tra enhancer e geni diventa una questione di caso piuttosto che un processo controllato. Lo studio ha escluso l'idea che la proteina isolatrice fosse necessaria per mantenere la forma su larga scala del genoma, poiché i TAD rimanevano intatti anche senza di essa. Invece, il ruolo critico della proteina è quello di prevenire interazioni promiscue, o di tipo promiscuo, che potrebbero portare a un'attività genica erratica.
I ricercatori hanno anche sviluppato un metodo per distinguere tra isolatori ed enhancer semplicemente osservando la loro capacità di bloccare questi contatti a lungo raggio. Nelle cellule di controllo in cui la proteina isolatrice era presente, le barriere fermavano efficacemente il DNA dal creare queste connessioni indesiderate. Al contrario, gli enhancer, che sono progettati per promuovere le connessioni, non mostravano questa capacità di blocco. Questa scoperta permette agli scienziati di identificare gli isolatori in base alla loro funzione piuttosto che solo alla loro posizione o alle proteine che vi si legano. Lo studio conferma che, sebbene l'architettura su larga scala del genoma sia robusta, la regolazione fine dell'espressione genica dipende fortemente da questi isolatori per evitare che il genoma diventi una rete caotica di connessioni accidentali. Bloccando questi contatti a lungo raggio, gli isolatori assicurano che i geni siano attivati solo dai segnali corretti, mantenendo la stabilità e la precisione necessarie per una cellula sana.
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