ATAC-seq and MNase-seq Detect Distinct Modes of Chromatin Accessibility

In de kern van elke cel is de genetische code niet uitgelegd als een los, open boek. In plaats daarvan zijn de lange strengen DNA strak gewikkeld rond eiwitspoelen genaamd nucleosomen, wat een dichte, georganiseerde structuur vormt die chromatine wordt genoemd. Voor een cel om haar genen te kunnen lezen en de eiwitten te produceren die zij nodig heeft, moet de machinerie die dit werk uitvoert in staat zijn om bij het DNA te komen. Dit betekent dat het chromatine in specifieke gebieden "open" of toegankelijk moet zijn. Wetenschappers vertrouwen al lang op twee belangrijke instrumenten om deze open regio's in kaart te brengen: één die een spijsverteringsenzym gebruikt om het onbeschermde DNA weg te kauwen, en een andere die een moleculaire machine gebruikt om de toegankelijke plekken door te snijden en te markeren. Jarenlang namen wetenschappers aan dat deze twee instrumenten simpelweg naar hetzelfde keken vanuit iets andere hoeken, waarbij ze redundante kaarten leverden van waar het DNA vrij is voor zaken doen.

Een nieuwe studie daagt deze langgekoesterde aanname uit door te laten zien dat deze twee instrumenten eigenlijk twee zeer verschillende staten van het genoom onthullen. De onderzoekers, die voornamelijk werkten met knetende gist (budding yeast), een eenvoudige organisme met een klein genoom dat dient als een krachtig model voor het begrijpen van complexer leven, voerden een zij-aan-zij vergelijking uit van deze twee methoden. Ze ontdekten dat de kaarten geproduceerd door de twee technieken zelden overeenkwamen. Sterker nog, slechts ongeveer een vijfde van de open regio's die door de eerste methode werden geïdentificeerd, kwam voor op de kaart die door de tweede methode werd gemaakt. Deze discrepantie is geen fout of een technisch defect; het is een fundamenteel kenmerk van hoe chromatine zich gedraagt. De studie suggereert dat wat wetenschappers "open chromatine" hebben genoemd, eigenlijk een mix is van twee verschillende biologische fenomenen: één die een stabiele, lege ruimte vertegenwoordigt waar nucleosomen volledig verdwenen zijn, en een andere die een dynamisch, verschuivend gebied vertegenwoordigt waar nucleosomen nog steeds aanwezig zijn, maar constant worden geduwd en getrokken door cellulaire machinerie.

De onderzoekers begonnen met het in kaart brengen van het gistgenoom met beide technieken. De eerste methode, die een spijsverteringsenzym gebruikt, identificeert regio's waar nucleosomen volledig afwezig zijn, waardoor er een duidelijke opening ontstaat in de eiwitspoelen. Deze gaten, bekend als nucleosoom-depleteerde regio's, bevinden zich doorgaans aan het begin van genen waar de transcriptiemachinerie zich moet assembleren. De tweede methode, die een moleculaire machine gebruikt om DNA door te snijden en te markeren, identificeert regio's waar het DNA toegankelijk genoeg is zodat de machine zich kan binden. Toen het team deze twee kaarten over elkaar legde, waren de resultaten opmerkelijk. Slechts ongeveer twintig procent van de gaten gevonden door de eerste methode werd ook gedetecteerd door de tweede. Omgekeerd kwam slechts ongeveer de helft van de toegankelijke plekken gevonden door de tweede methode overeen met de gaten gevonden door de eerste methode. Dit betekende dat een groot deel van het genoom als "open" werd gelezen door het ene instrument, maar als "gesloten" of bezet door het andere.

Om te begrijpen waarom dit gebeurde, elimineerde het team eerst de mogelijkheid dat het verschil simpelweg te wijten was aan de voorkeuren van de enzymen zelf voor bepaalde DNA-sequenties. Ze controleerden ook of de grootte van de gaten uitmaakte, en stelden vast dat hoewel kortere gaten moeilijker te detecteren waren, dit alleen de enorme discrepantie niet kon verklaren. In plaats daarvan ontdekten ze dat de twee methoden gevoelig waren voor verschillende fysieke eigenschappen van het chromatine. De gaten geïdentificeerd door de eerste methode waren stabiele, lege ruimtes waar het DNA werkelijk vrij was van nucleosomen. Deze regio's werden vaak gemarkeerd door specifieke eiwitten die helpen bij het starten van de gentranscriptie. In contrast hiermee waren de plekken gedetecteerd door de tweede methode vaak gebieden waar nucleosomen nog steeds aanwezig waren, maar zeer dynamisch waren. Deze nucleosomen waren niet statisch; ze werden constant gedestabiliseerd, uitgevouwen of verplaatst door krachtige cellulaire machines die co-regulatoren worden genoemd.

De studie wees een specifieke familie van cellulaire machines, genaamd SWI/SNF, aan als de belangrijkste drijfveer van deze dynamische toegankelijkheid. Wanneer de onderzoekers deze machines uit de gistcellen verwijderden, verdwenen de signalen van de tweede methode, terwijl de stabiele gaten geïdentificeerd door de eerste methode grotendeels onveranderd bleven. Dit bewees dat de tweede methode niet alleen lege ruimte zag, maar de activiteit van deze machines detecteerde terwijl zij werkten om de chromatinestructuur te versoepelen. De onderzoekers vonden ook dat verschillende soorten transcriptiefactoren — de eiwitten die beslissen welke genen ze aanzetten — verschillende vermogens hadden om deze twee soorten open chromatine te creëren. Sommige factoren konden simpelweg de nucleosomen opzij duwen om een stabiele opening te creëren, terwijl anderen de SWI/SNF-machines moesten rekruteren om de dynamische, toegankelijke staat te creëren die de tweede methode detecteert.

Dit onderscheid blijkt belangrijk te zijn buiten alleen gist. De onderzoekers herhaalden hun analyse in andere organismen, waaronder een ander type gist, fruitvliegen en menselijke cellen. In elk geval vonden ze hetzelfde patroon: de twee methoden identificeerden verschillende subsets van open chromatine. In menselijke cellen waren de dynamische regio's gedetecteerd door de tweede methode vaak geassocieerd met dezelfde cellulaire machines als in gist, wat suggereert dat dit mechanisme een fundamenteel onderdeel is van hoe complexe organismen hun genen reguleren. De bevindingen suggereren dat wanneer wetenschappers naar deze kaarten kijken, ze niet alleen een statisch beeld zien van waar DNA vrij is. Ze zien een complex landschap waar sommige gebieden permanent zijn vrijgemaakt voor verkeer, terwijl andere bouwzones zijn waar de weg constant wordt geopend en gesloten door cellulaire arbeiders.

De implicaties van dit werk zijn aanzienlijk voor ons begrip van genregulatie. Het suggereert dat het vermogen van een gen om aan of uit te worden gezet niet alleen afhangt van de vraag of het DNA fysiek toegankelijk is, maar van het specifieke type toegankelijkheid. Een stabiele opening kan voldoende zijn voor een gen dat altijd aan staat, terwijl een dynamische, door machines aangedreven toegankelijkheid vereist kan zijn voor genen die snel moeten reageren op veranderingen in de omgeving. Door te beseffen dat deze twee instrumenten verschillende dingen meten, kunnen wetenschappers nu hun gegevens met grotere precisie interpreteren. Ze kunnen onderscheid maken tussen een gen dat simpelweg wacht in een open veld en een gen dat actief wordt voorbereid voor actie door de regulerende machinerie van de cel. Dit diepere begrip van de fysieke staat van het genoom brengt ons dichter bij het ontrafelen van de complexe logica van het leven, door te laten zien dat de toegankelijkheid van onze genetische code een veel genuanceerder en actiever proces is dan voorheen werd verondersteld.