Distinguishing insulators from enhancers by their ability to block long-range contacts using HiCAggR
De studie introduceert HiCAggR, een Bioconductor-pakket dat gebruikmaakt van hoogresolutie aggregatie van Hi-C-data om isolatoren van enhancers te onderscheiden door hun vermogen om ongepaste langeafstands contacten tussen enhancers en promotors te blokkeren, waarbij wordt onthuld dat uitputting van isolatoren leidt tot aberrante contacten en wijdverspreide gen-deregulatie.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
In elke cel is het DNA dat onze genetische instructies bevat geen losse draad, maar een compacte, driedimensionale structuur. Om in de microscopisch kleine kern te passen, is dit lange molecuul gevouwen in duidelijke buurten die topologisch associërende domeinen, of TAD's, worden genoemd. Denk aan deze buurten als kamers in een huis waar specifieke activiteiten plaatsvinden. Binnen elke kamer kan de machinerie die genen afleest gemakkelijk de juiste schakelaars vinden, bekend als enhancers, om genen aan te zetten. Om echter chaos te voorkomen, worden de muren tussen deze kamers versterkt door speciale eiwitten die isolatoren worden genoemd. Deze isolatoren fungeren als barrières, die voorkomen dat een schakelaar in de ene kamer per ongeluk een gen in een naburige kamer aanzet. Decennialang hebben wetenschappers gedebatteerd over hoe strikt deze barrières werken en of ze essentieel zijn voor het georganiseerd houden van het genoom, of dat ze een subtielere, dynamische rol spelen in het reguleren van hoe genen tot expressie komen.
Een team onderzoekers aan de Universiteit van Toulouse en Simon Fraser University heeft nu een duidelder beeld gegeven van hoe deze barrières functioneren, waarbij zij onthulden dat hun primaire taak niet alleen het bij elkaar houden van de structuur van het genoom is, maar het actief blokkeren van ongewenste verbindingen. De wetenschappers richtten zich op een specifiek isolator-eiwit in fruitvliegjes genaamd BEAF-32. Door dit eiwit uit de cellen te verwijderen, konden zij observeren wat er gebeurde wanneer de barrières werden verzwakt. Met behulp van een nieuwe computationele tool die zij ontwikkelden genaamd HiCAggR, die werkt als een krachtige microscoop om te kijken hoe verschillende delen van het genoom elkaar raken, ontdekte het team dat het verlies van deze isolatoren niet zorgde voor het instorten van de grootschalige kamers, of TAD's. De algehele structuur van het genoom bleef verrassend stabiel. Echter, de afwezigheid van de isolator stond toe dat er nieuwe, accidentele verbindingen ontstonden tussen verre delen van het DNA die voorheen gescheiden werden gehouden.
Deze nieuwe verbindingen, die de onderzoekers "lekages" noemen, zorgden ervoor dat enhancers over de barrière heen konden reiken en genen activeerden die ze nooit hadden mogen aanraken. In de fruitvliegencellen waar het isolator-eiwit werd verwijderd, werden honderden genen die stil zouden moeten blijven, aangezet. De onderzoekers ontdekten dat deze lekages niet willekeurig waren; ze kwamen specifiek voor op de plaatsen waar het isolator-eiwit normaal gesproken zit. Wanneer het eiwit aanwezig was, blokkeerde het succesvol deze langetermijncontacten. Wanneer het afwezig was, konden de DNA-strengen om elkaar heen lussen en elkaar aanraken over de grens heen, waardoor er een brug ontstond tussen een enhancer en een genpromotor die gescheiden hadden moeten zijn. Dit proces leidde tot een significante toename van de activiteit van genen die zich nabij deze doorbroken barrières bevinden, wat de normale instructies voor de cel effectief door elkaar haalde.
Om de volledige impact van deze lekages te begrijpen, keken de onderzoekers naar individuele cellen in plaats van naar het gemiddelde gedrag van een grote groep. Ze ontdekten dat wanneer de isolatorbarrière werd aangetast, de expressie van genen veel variëbelder werd van de ene cel naar de andere. Sommige cellen kunnen een gen sterk aanzetten, terwijl een buurcel met dezelfde genetische opmaak het gen uit laat staan. Dit suggereert dat zonder de isolator om deze contacten strikt te reguleren, de interactie tussen enhancers en genen een kwestie van toeval wordt in plaats van een gecontroleerd proces. De studie weerlegde het idee dat het isolator-eiwit nodig is voor het behoud van de grootschalige vorm van het genoom, aangezien de TAD's intact bleven zelfs zonder het. In plaats daarvan is de cruciale rol van het eiwit het voorkomen van promiscuïteit-achtige interacties die tot een chaotische genactiviteit kunnen leiden.
De onderzoekers ontwikkelden ook een methode om isolatoren te onderscheiden van enhancers, simpelweg door te observeren naar hun vermogen om deze langetermijncontacten te blokkeren. In de controlecellen waar het isolator-eiwit aanwezig was, stopten de barrières effectief de DNA-strengen om deze ongewenste verbindingen te maken. In contrast hiermee vertoonden enhancers, die ontworpen zijn om verbindingen te bevorderen, niet dit blokkerende vermogen. Deze bevinding stelt wetenschappers in staat om isolatoren te identificeren op basis van hun functie in plaats van alleen op basis van hun locatie of de eiwitten die eraan binden. De studie bevestigt dat hoewel de grootschalige architectuur van het genoom robuust is, de fijnafstemming van genexpressie zwaar leunt op deze isolatoren om te voorkomen dat het genoom een chaotisch web van accidentele verbindingen wordt. Door deze langetermijncontacten te blokkeren, zorgen isolatoren ervoor dat genen alleen worden geactiveerd door de juiste signalen, wat de stabiliteit en precisie handhaaft die vereist zijn voor een gezonde cel.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.