Human FACT complex coordinates cohesin and transcription on chromatin

In de kern van elke menselijke cel is het DNA geen losse draad, maar een strak gewikkeld pakketje. Om twee meter aan genetische code in een ruimte te passen die kleiner is dan een zandkorrel, wikkelt de cel het DNA om spoelachtige eiwitten genaamd histonen, waardoor een dichte structuur ontstaat die chromatine wordt genoemd. Deze verpakking is essentieel voor bescherming, maar creëert ook een fysieke barrière. Voor de cel om zijn genen af te lezen en eiwitten te maken, moet hij deze spoelen tijdelijk uitwikkelen en machines langs het DNA bewegen. Tegelijkertijd moet de cel dit lange DNA-streng organiseren in specifieke 3D-vormen door het in lussen en domeinen te vouwen, zodat de juiste genen met de juiste partners kunnen communiceren. Twee belangrijke spelers beheren dit delicate evenwicht: een moleculaire machine genaamd cohesine, dat werkt als een ring die het DNA grijpt en er lussen van trekt, en een hulp-eiwit genaamd FACT, dat fungeert als een chaperonne om de leesmachine door het dichte chromatine te laten glijden. Lange tijd wisten wetenschappers dat deze twee systemen belangrijk waren, maar begrepen ze niet hoe zij samenwerkten om het genoom georganiseerd en functioneel te houden.

Een team onderzoekers van het MRC Laboratory of Medical Sciences in Londen en instellingen in Japan heeft nu een directe link tussen deze twee systemen ontdekt. Met behulp van menselijke cellen gekweekt in het laboratorium, hebben zij ontdekt dat het FACT-complex meer doet dan alleen helpen bij het lezen van genen; het is ook essentieel om de cohesineringsring over het DNA te laten bewegen. De onderzoekers ontdekten dat zonder FACT de cohesine vast komt te zitten. In plaats van soepel te reizen om de noodzakelijke lussen te vormen die het genoom organiseren, hoopt de cohesine zich op de verkeerde plaatsen op, specifiek binnen de actieve secties van genen waar het niet zou moeten zijn. Deze blokkade ruïneert niet alleen de 3D-structuur van het DNA, maar blokkeert ook fysiek de machinerie die probeert de genen te lezen, wat leidt tot een daling in de productie van essentiële eiwitten.

Om dit te zien gebeuren, gebruikten de wetenschappers een nauwkeurig instrument om het FACT-eiwit bijna onmiddellijk uit menselijke cellen te verwijderen. Ze hadden de cellen zo aangepast dat wanneer een specifiek plantenhormoon, genaamd auxine, werd toegevoegd, het FACT-eiwit binnen dertig minuten werd vernietigd. Dit stelde hen in staat om het proces in realtime te observeren, zonder dat de cel de tijd kreeg om zich aan te passen of te compenseren. Eerst controleerden ze of de cohesineringsring nog steeds op het DNA kon komen. Ze vonden dat dit wel kon; de initiële belading van de cohesine bleef onveranderd. Maar zodra de cohesine op het DNA zat, verloor de ring zijn vermogen om te reizen. In gezonde cellen beweegt de cohesine langs de DNA-streng en trekt het in lussen totdat het een stoppelteken raakt, gemaakt van een eiwit genaamd CTCF. In de cellen zonder FACT slaagde de cohesine er niet in deze stoppelteken te bereiken. In plaats van nette lussen te vormen, werd het cohesinesignaal zwak en verspreid, en begonnen de grootschalige domeinen die het genoom organiseren hun scherpe grenzen te verliezen.

De onderzoekers keken vervolgens nauwer naar waar de cohesine naartoe ging toen het niet meer goed kon bewegen. Zij ontdekten dat in de afwezigheid van FACT de cohesineringsringen accumuleren in het midden van actieve genen. Normaal gesproken beweegt de leesmachinerie van de cel, bekend als RNA-polymerase, langs deze genen om het DNA in RNA te kopiëren. Terwijl het beweegt, duwt het de cohesineringsringen voor zich uit, waardoor het pad vrij wordt gemaakt. Maar wanneer FACT ontbreekt, wordt het chromatine te dicht en moeilijk te navigeren. De cohesineringsringen raken gevangen in de genlichamen, niet in staat om voortgestuwd te worden of om langs de obstakels te glijden. Deze ophoping was niet willekeurig; het gebeurde het sterkst in de genen die het meest intensief werden gelezen. Hoe actiever een gen was, hoe meer de cohesine erin hoopte.

Deze stapeling had een direct en beschadigend gevolg voor het vermogen van de cel om te functioneren. De onderzoekers vonden dat de genen waar de cohesine zich ophoopte, een scherpe daling in activiteit vertoonden. De gevangen cohesineringsringen werkten als een fysieke wegblokkade, waardoor de leesmachinerie niet kon passeren. Om te bewijzen dat de cohesine zelf de oorzaak was van deze uitschakeling, en niet slechts het gebrek aan FACT, voerden de wetenschappers een tweede experiment uit. Ze verwijderden de cohesineringsringen uit de cellen die al aan FACT ontbraken. Toen zij dit deden, herstelde de transcriptie van de genen zich. Dit bevestigde dat het probleem niet alleen de lossing van het hulp-eiwit was, maar specifiek de aanwezigheid van de vastgelopen cohesineringsringen die de weg blokkeerden.

De studie onthult een cruciaal coördinatiemechanisme in de cel. Het FACT-complex dient een dubbel doel: het helpt de leesmachinerie door het dichte chromatine te bewegen, en doet daarmee ook het pad vrij voor de cohesineringsringen om te reizen en de 3D-structuur van het genoom op te bouwen. Wanneer FACT aanwezig is, duwt de leesmachinerie de cohesine voort, waardoor deze zijn bestemming kan bereiken en de lussen kan vormen die de genetische bibliotheek van de cel organiseren. Wanneer FACT afwezig is, vertraagt de leesmachinerie, blijft de cohesine steken en stort de structuur van het genoom in. Dit werk laat zien dat de fysieke staat van de chromatinevezel zelf een sleutelregulator is van hoe het genoom gevouwen wordt en hoe genen tot expressie komen, waarbij de mechanica van DNA-beweging rechtstreeks verbonden wordt met het vermogen van de cel om haar eigen instructies te lezen.