Multi-omic long-read sequencing reveals nucleosome control of transcriptional fidelity at the isoform level

In elke levende cel zijn de instructies voor het bouwen en aansturen van een organisme geschreven in een lang, dun molecuul genaamd DNA. Om dit enorme molecuul in een microscopische ruimte te passen, wordt het strak gewikkeld rond spoelvormige eiwitten die nucleosomen worden genoemd. Denk aan deze spoelen als de kralen aan een snoer. Deze wikkeling doet meer dan alleen ruimte besparen; het fungeert als een poortwachter. Wanneer het DNA strak gewikkeld is, kan de machinerie van de cel de instructies niet lezen. Wanneer de spoelen opzij worden geschoven of verwijderd, worden de instructies toegankelijk en kan de cel aan het werk beginnen. De cel gebruikt speciale eiwitten, bekend als remodelers, om deze spoelen langs de DNA-draad te laten schuiven, waardoor specifieke secties worden geopend om genen te gaan lezen en ze weer te sluiten wanneer de taak voltooid is. Dit proces is cruciaal omdat een enkel gen op verschillende manieren gelezen kan worden om verschillende versies van een eiwit te produceren, en de precieze arrangement van deze spoelen helpt te bepalen welke versie er wordt gemaakt.

Lange tijd worstelden wetenschappers met de vraag hoe deze spoelarrangement op één specifiek stukje DNA de exacte versie van een eiwit die uit datzelfde stukje DNA werd gemaakt, beïnvloedde. Eerdere methoden waren als het maken van een wazige foto van een menigte; ze konden je het gemiddelde aantal mensen in de kamer vertellen, maar ze konden je niet vertellen welke specifieke persoon naast welk specifiek object stond. Ze konden niet zien of de spoelen open waren aan het begin van een gen en gesloten in het midden op precies diezelfde DNA-streng. Zonder dit heldere zicht was het onmogelijk om te begrijpen hoe de fysieke staat van het DNA de uiteindelijke genetische boodschap direct vormgaf.

Een team onderzoekers aan de University of California, Santa Cruz, besloot dit probleem op te lossen door naar individuele DNA-draden te kijken in plaats van naar gemiddelden. Ze werkten met bakkerijgist, een eenvoudige organisme die vaak wordt gebruikt om basale celbiologie te bestuderen. De wetenschappers verwijderden twee specifieke eiwitten, ISW1 en CHD1, die fungeren als de spoelverbeweegers van de cel. Zonder deze eiwitten verliezen de spoelen op de DNA-draad hun ordelijke arrangement. De onderzoekers gebruikten vervolgens een krachtige nieuwe sequencing-technologie die zeer lange strengen DNA en RNA in één keer kan lezen. Dit stelde hen in staat om naar een enkele DNA-vezel te kijken en precies te zien waar de spoelen zich bevonden, en vervolgens naar de RNA-boodschap te kijken die van die exacte zelfde vezel werd geproduceerd om te zien wat de cel daadwerkelijk heeft gebouwd.

Ze ontwikkelden een nieuwe computermethode om deze individuele DNA-draden te sorteren in groepen op basis van hoe de spoelen open of gesloten waren aan het begin van het gen en in het midden van het gen. Ze ontdekten dat wanneer de spoelverplaatsende eiwitten ontbreken, de cel de DNA niet zomaar willekeurig verstoort. In plaats daarvan bewogen de spoelen op een gecoördineerde manier. Op veel DNA-draden verplaatsten de spoelen die normaal gesproken bij het begin van een gen zaten zich naar het midden van het gen, terwijl het midden van het gen open werd. Deze verschuiving veranderde de instructies die de cel volgde. Genen die normaal gesproken stil waren, werden actief, en genen die normaal gesproken luid waren, werden stiller. Nog belangrijker was dat de cel de genen begon te lezen vanaf de verkeerde startpunten, waardoor andere versies van de genetische boodschap werden gecreëerd dan gebruikelijk.

De studie onthulde dat deze verandering in de spoelarrangement de directe oorzaak was van het feit dat de cel verschillende versies van eiwitten maakt. Wanneer de spoelen op de verkeerde plek zaten, kreeg de leesmachine van de cel, genaamd RNA-polymerase, problemen met het soepel bewegen langs het DNA. Het begon met lezen, maar kwam dan tot stilstand of viel eraf voordat de taak voltooid was. Dit was met name het geval bij genen die normaal gesproken zeer actief waren. De onderzoekers ontdekten ook dat de cel problemen had met het uitknippen van onnodige delen van de genetische boodschap, een proces dat splicing wordt genoemd. Omdat de spoelen niet correct gespatieerd waren, kon de machinerie die deze snijwerkzaamheden uitvoert niet efficiënt zijn werk doen, wat leidde tot onvolledige of gebrekkige boodschappen.

Een van de meest verrassende bevindingen was dat de cel probeerde te compenseren voor deze fouten door te beginnen met lezen vanaf verborgen plekken binnenin de genen. Deze verborgen plekken zagen eruit als normale startpunten, maar werden normaal gesproken geblokkeerd door spoelen. Wanneer de spoelverplaatsende eiwitten verdwenen, openden deze verborgen plekken zich, en de cel begon vanaf daar te lezen. Dit betekende dat de cel een mix van correcte en incorrecte boodschappen produceerde, vaak van hetzelfde gen op hetzelfde moment. De onderzoekers toonden aan dat de specifieke patroon van de spoelen op een enkele DNA-draad precies kon voorspellen welke versie van de boodschap de cel zou produceren.

De studie weerlegde ook een veelvoorkomend idee dat de leesmachine van de cel tegen andere machines botste die probeerden te lezen vanaf deze verborgen plekken. De gegevens toonden aan dat de vertraging optrad, zelfs wanneer er geen andere machines in de weg waren. In plaats daarvan was het probleem simpelweg dat de DNA-draad zelf te rommelig was. Zonder de regelmatige afstand tussen de spoelen kon de leesmachine er niet efficiënt doorheen duwen. Dit gebrek aan orde maakte het voor de cel ook moeilijker om de extra delen van de boodschap uit te snijden, wat leidde tot meer fouten in het eindproduct.

Door naar de machinerie van de cel te kijken, één draad tegelijk, hebben de onderzoekers aangetoond dat de fysieke organisatie van DNA een precies controlesysteem is. Het zet genen niet alleen aan of uit; het bepaalt exact hoe de instructies worden gelezen en verwerkt. Wanneer de eiwitten die het DNA organiseren worden verwijderd, verliest het systeem zijn getrouwheid, wat leidt tot een chaotische mix van genetische boodschappen. Dit werk biedt een helder beeld van hoe de fysieke structuur van onze genetische code de complexe variëteit van eiwitten die het leven mogelijk maken, beïnvloedt, waarbij wordt aangetoond dat de arrangement van de spoelen net zo belangrijk is als de letters die op de DNA-draad zelf geschreven staan.