Dincolo de ce poate arată un microscop: simulări computerizate care vizualizează modul în care o proteină esențială a celulelor stem despachetează ADN-ul

22 septembrie 2022

O echipă internațională de cercetători a descoperit cum Oct4, o proteină esențială pentru definirea identității celulelor stem, leagă și despachetează segmente scurte de ADN în timp ce acestea sunt înfășurate în jurul proteinelor nucleare de stocare (histone), la fel ca în genomul nostru. Echipa a combinat experimente și simulări computerizate pentru a obține detalii fără precedent asupra funcției de pionierat a acestei proteine ​​în timpul conversiei celulelor adulte în celule asemănătoare celulelor stem embrionare.

Grupul de cercetare a fost condus de Vlad Cojocaru, cercetător în cadrul Institutului STAR-UBB al Universității Babeș-Bolyai din Cluj-Napoca, precum și în cadrul Universității din Utrecht (Țările de Jos) și de Hans Schöler de la Institutul Max Planck de Biomedicină Moleculară din Münster (Germania). Rezultatele au fost publicate în jurnalul Nucleic Acids Research în septembrie 2022.

Celulele adulte pot fi convertite în celule asemănătoare celulelor stem embrionare (celule pluripotente induse, iPSC) folosind un cocktail de doar patru proteine. În ultimii ani, această tehnologie de reprogramare celulară a contribuit enorm la modelarea bolilor, dezvoltarea medicamentelor și terapiile de înlocuire a celulelor. Cu toate acestea, multe întrebări despre mecanismele moleculare ale acestei conversii au rămas fără răspuns. De exemplu, un pas esențial este despachetarea ADN-ului în celulele care urmează să fie convertite. Fiecare dintre celulele noastre conține aproximativ doi metri de ADN împachetat într-o structură cunoscută sub numele de cromatină. În cromatină, ADN-ul este strâns înfășurat în jurul histonelor în unități structurale repetitive cunoscute sub numele de nucleozomi. Deci, cum deschid aceste patru proteine ADN-ul atunci când sunt exprimate în celule adulte?

Oct4, un pionier în regularea celulelor stem pluripotente

Trei dintre cele patru proteine au fost descrise ca fiind factori de transcripție pionieri, ceea ce înseamnă că se leagă de secvențe specifice de ADN care sunt învelite în nucleozomi și au capacitatea de a despacheta direct sau indirect cromatina. Dintre cele trei, Oct4 se remarcă pentru că este esențial pentru menținerea celulelor stem embrionare in diferite specii și pentru reprogramarea celulelor umane. Oct4 a fost descoperit la sfârșitul anilor 80 de Hans Schöler aproximativ în același timp cu alte două laboratoare și este singurul factor de neînlocuit din cocktailul ce a dus la câștigarea Premiului Nobel de către Shinya Yamanaka pentru reprogramarea celulelor adulte în celule pluripotente. În urmă cu aproximativ 10 ani, Abdenour Soufi și Ken Zaret au descris regiuni ale ADN-ului împachetat care sunt legate de Oct4 în stadiile incipiente ale reprogramării.

Caitlin MacCarthy, cercetătoare în grupul lui Hans Schöler și unul dintre autorii principali ai studiului, a furnizat experimentele de laborator. Reflectând la munca ei, Caitlin explică: "Experimentele au fost mai dificile decât am anticipat. Lucrul cu nucleozomi genomici sau nativi devine mai degrabă tehnic, deoarece sunt foarte dinamici, spre deosebire de secvențele proiectate care sunt mai stabile. Totuși, am putut arăta exact unde se leagă Oct4 de ei." Deci, ce se întâmplă când Oct4 se leagă de nucleozomi?

Nanoscopul computațional

Pentru a răspunde la aceasta întrebare, Jan Huertas, de asemenea, autor principal al studiului, a furnizat simulările pe care le-a efectuat în timpul doctoratului la MPI Münster. El și Vlad Cojocaru au folosit nanoscopul computațional pentru a vizualiza modul în care Oct4 se leagă de nucleozomi și le afectează structura. Termenul de nanoscop computațional este folosit de cercetători pentru a se referi la un set de metode de simulare pe computer care le permit să vizualizeze mișcările moleculelor în timp. Precizia acestor metode este acum atât de mare încât ne putem imagina că observăm moleculele la un microscop de foarte înaltă rezoluție. Nucleozomii, ca toate structurile macromoleculare din celulele noastre, sunt dinamici. Se mișcă, se răsucesc, respiră, se desfășoară și se înfășoară din nou. Vizualizarea acestor mișcări în experimente este adesea imposibilă. Jan explică: "Este atât de uimitor să poți urmări aceste structuri moleculare mari cu toți atomii lor mișcându-se pe computer și să știi că ceea ce vezi este foarte aproape de ceea ce se întâmplă de fapt."

Oct4 despachetează nucleozomii

În filmele în timp real ale complexelor Oct4-nucleozomi pe care le-au generat, fiecare prezentând 1 până la 3 microsecunde din durata de viață a complexului, Jan Huertas și Vlad Cojocaru au observat modul în care Oct4 este capabil să deschidă nucleozomii. Ei au descris în detaliu la rezoluție atomică mecanismele acestei despachetări, comparând mișcările nucleozomilor liberi și și ale celor legați de Oct4. Interesant este că desfacerea depinde de poziția secvenței de ADN recunoscută de Oct4 pe nucleozom și de mobilitatea regiunilor flexibile terminale ale histonelor, cunoscute sub numele de cozi de histonă.

Spre înțelegerea factorilor pionieri și a conversiilor între diferite tipuri de celule

Cercetătorii sunt încântați de implicațiile muncii lor și de perspectiva pe care aceasta o deschide. Vlad Cojocaru, cercetător principal la Universitatea Babeș-Bolyai, deținând și funcții ca cercetător la Universitatea din Utrecht și cercetător vizitator la MPI Münster, concluzionează: "Arătăm aici pentru prima dată în detaliu atomic nu doar modul în care Oct4 se leagă de diferiți nucleozomi, dar și modul în care legarea lui Oct4 împreună cu cozile histonelor afectează flexibilitatea structurală a acestor nucleozomi." Caitlin MacCarthy adaugă explicând de ce acest lucru este atât de interesant: "deoarece cozile histonelor, ca și factorii pionieri, sunt, de asemenea, regulatori cheie ai expresiei genelor. În timp ce factorii pionieri se leagă de ADN pentru a despacheta cromatina și a activa genele, cozile histonelor poartă modificări chimice care definesc regiunile cromatinei deschise din care pot fi exprimate genele". Jan Huertas explică în continuare: "Până acum, a fost un mister modul în care cozile histonelor afectează capacitatea factorilor pionieri de a se lega de nucleozomi și de a-i despacheta. Munca noastră deschide calea pentru studii viitoare ale altor factori pionieri, mulți dintre care sunt esențiali pentru transformări celulare, inclusiv conversiile între diverse tipuri de celule și cancerul."
Vlad Cojocaru este convins că "mecanismul pe care îl descriem aici umple un gol de cunoștințe în înțelegerea modului în care factori precum Oct4 induc tranziții ale identității celulare. Înțelegerea acestor mecanisme va oferi în cele din urmă mijloace pentru a optimiza și controla astfel de tranziții pentru utilizarea lor cu succes în terapii. Și simulările pe computer vor fi în centrul acestor descoperiri viitoare."

Cercetătorii doresc să mulțumească Max Planck Computing & Data Facility (www.mpcdf.mpg.de) și Gauss Center for Supercomputing (https://www. gauss-centre.eu) pentru resursele de calcul de înaltă performanță oferite, fără de care acest studiu nu ar fi fost posibil.

Articolul complet poate fi accesat la: https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkac755/6702469.

*

Citare articol: Caitlin M MacCarthy, Jan Huertas, Claudia Ortmeier, Hermann vom Bruch, Daisylyn Senna Tan, Deike Reinke, Astrid Sander, Tim Bergbrede, Ralf Jauch, Hans R Schöler, Vlad Cojocaru, OCT4 interprets and enhances nucleosome flexibility, Nucleic Acids Research, 2022;, gkac755, https://doi.org/10.1093/nar/gkac755

Nucleozomii genomici nativi legați (albastru închis) de Oct4 (roșu) și în formă liberă (galben). Suprafețele și panglicile ilustrează ADN-ul și regiunile structurate de miez ale histonelor. Oct4 stabilizează o formă parțial deschisă a unui nucleozom (pe dreapta) și induce o deschidere mare în celălalt (pe stânga). Impactul Oct4 asupra structurilor acestor nucleozomi depinde de mobilitatea cozilor flexibile ale histonelor (gri și albastru deschis în nucleozomii liberi și, respectiv, legați de Oct4) și a celor două subdomenii ale sale (roșu) care se leagă de diferite fețe ale ADN-ului. Fundalul prezintă colonii de celule pluripotente induse umane cultivate pe celule de hrănire (colțul din stânga jos) și derivate din celulele pielii umane prin inducerea indispensabilei Oct4 și a altor trei proteine. Imaginile au fost create cu VMD (http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/) de Vlad Cojocaru, iar imaginea de fundal a fost oferită cu amabilitate de Sergiy Velychko (MPI Münster).

Public link

Please use the above public link if you want to share this noodl on another website.