Histone H3K9 methylation and Heterochromatin Protein 1 do not limit DNA accessibility in living S. pombe cells

In elke levende cel zweeft de genetische code niet vrij rond, maar is deze strak gewikkeld rond eiwitspoelen, wat een complex materiaal vormt dat chromatine wordt genoemd. Deze verpakking dient een dubbel doel: het beschermt de lange strengen DNA en regelt welke delen van de genetische instructiehandleiding op elk gegeven moment gelezen kunnen worden. Decennialang zijn wetenschappers uitgegaan van de aanname dat dit wikkelen fungeert als een poortwachter, specifiek in regio's die bekend staan als heterochromatine. Dit zijn de dicht opeengepakte secties van het genoom, die vaak gemarkeerd worden door chemische labels op de eiwitspoelen en gebonden zijn aan specifieke eiwitten, die ervan werden geacht het DNA zo strak weg te sluiten dat de cellulaire machinerie er niet bij kon komen. Dit idee van een afgesloten regio stond centraal in het begrip van hoe cellen hun genen reguleren, waarbij werd gesuggereerd dat de primaire taak van deze chemische markeringen en bindende eiwitten het fysiek blokkeren van de toegang tot het DNA is.

Onderzoekers hebben dit fenomeen lang bestudeerd in diverse organismen, waaronder mensen en knetende gist, waarbij bewijs uit geïsoleerde celkernen de visie ondersteunde dat heterochromatine inderdaad een barrière vormt voor toegang. Echter, een team van wetenschappers richtte zijn aandacht op de fission yeast (splijtingsgist), een eencellig organisme dat dient als een krachtig model voor het bestuderen van deze dicht opeengepakte regio's. In deze gist wordt het heterochromatine gedefinieerd door specifieke chemische modificaties op zijn histon-eiwitten en de aanwezigheid van een bindend eiwit dat bekend staat als HP1. De heersende theorie hield in dat deze kenmerken samenwerkten om het DNA af te sluiten en de toegang te voorkomen. Om te testen of dit model ook standhield in een levende, ademende cel in plaats van in een statisch monster, ontwikkelden de onderzoekers een nieuwe methode om de toegankelijkheid van DNA direct binnen de organisme te onderzoeken. Ze introduceerden een systeem dat een specifiek enzym kon activeren om het DNA te modificeren, waardoor ze in realtime konden meten hoe gemakkelijk dit enzym verschillende delen van het genoom kon bereiken.

De resultaten van dit experiment daagden het langgekoesterde geloof uit dat de chemische markeringen en bindende eiwitten fungeren als een fysieke muur. Toen de wetenschappers het DNA in levende fission yeast-cellen maten, ontdekten ze dat het dicht opeengepakte heterochromatine net zo open en toegankelijk was als de meer losjes verpakte regio's van het genoom. Zelfs de centromeren, de gespecialiseerde gebieden waar chromosomen zich aan het interne skelet van de cel hechten, waren volledig toegankelijk in dit organisme. Dit staat in contrast met bevindingen in andere soorten, waar centromeren vaak ontoegankelijk zijn. De studie suggereert dat in levende fission yeast de chemische labels en de bindende eiwitten niet functioneren door de deur naar het DNA te blokkeren. In plaats daarvan lijkt het genoom globaal dynamisch te zijn, waarbij de machinerie bijna elk deel van het DNA kan bereiken, ongeacht de lokale verpakkingsstijl.

Het verhaal verandert echter wanneer de onderzoekers naar dezelfde cellen keken nadat deze waren opengebroken om de kernen te isoleren. In deze geïsoleerde monsters werd het chromatine grotendeels ontoegankelijk en gedroeg het zich precies zoals het traditionele model voorspelde. De onderzoekers stelden vast dat deze verschuiving niet werd veroorzaakt door het verlies van de chemische markeringen of de bindende eiwitten, maar door de fysieke structuur van het DNA zelf. In de geïsoleerde kernen waren de eiwitspoelen zo dicht op elkaar gepakt dat er bijna geen ruimte tussen hen was voor enzymen om binnen te dringen. Deze nauwe tussenruimte, die optreedt wanneer de cel niet langer intact is, creëert een fysieke barrière die niet bestaat in de levende cel. Bijgevolg geeft de studie aan dat het chemische systeem van markeringen en bindende eiwitten in deze gist de genactiviteit niet onderdrukt door de toegang tot het DNA te verhinderen. Het idee dat deze eiwitten fungeren als een slot om het DNA verborgen te houden, lijkt een misinterpretatie te zijn van wat er gebeurt wanneer cellen worden verwijderd uit hun natuurlijke, levende staat.