3 juni

Computersimulaties visualiseren in detail hoe DNA opent terwijl het om eiwitten is gewikkeld

Terug naar nieuws

Onderzoekers van het Hubrecht Instituut in Utrecht en het Max Planck Institute for Molecular Biomedicine in Münster (Duitsland) gebruikten computersimulaties om in detail te onderzoeken hoe een kort stukje DNA opengaat terwijl het strak om eiwitten – histonen – is gewikkeld. Deze simulaties geven ongekende inzichten in de mechanismen die genexpressie reguleren. De resultaten zijn op 3 juni gepubliceerd in PLoS Computational Biology.

Elke cel in het lichaam bevat twee meter DNA. Om ervoor te zorgen dat al dit DNA in de kleine celkern past, zit het DNA dicht opeengepakt in een structuur die bekend staat als chromatine. Chromatine bestaat vervolgens weer uit een reeks kleine, identieke structuren die nucleosomen worden genoemd. In een nucleosoom is het DNA om 8 eiwitten – histonen – gewikkeld. Chromatine is niet overal even dicht opeengepakt. De dichtheid van de pakking van chromatine is belangrijk om te reguleren welke genen tot expressie komen en daarmee welke eiwitten door een cel worden gemaakt.

Veranderingen van strak naar losjes verpakt DNA – van gesloten naar open chromatine – zijn essentieel voor cellen om een ander celtype te kunnen worden. Deze overgangen van het ene type cel naar het andere zijn kenmerkend voor de ontwikkeling van het lichaam en voor bepaalde ziektebeelden, maar worden ook vaak ingezet bij regeneratieve therapieën. Inzicht in hoe de pakking van DNA verandert draagt bij aan ons begrip van ziekten en het optimaliseren van het omzetten van cellen voor therapeutische doeleinden.

Computationele nanoscoop

Een stap bij het openen van chromatine is de beweging van DNA terwijl het in nucleosomen is verpakt. Zoals alle moleculaire structuren in onze cellen zijn nucleosomen dynamisch. Ze bewegen, draaien, ademen, worden uitgepakt en wikkelen zich weer in. Het visualiseren van deze bewegingen met behulp van experimentele methoden is vaak een grote uitdaging. Een alternatief is om een zogenaamde “computationele nanoscoop” te gebruiken.

Onderzoekers gebruiken de term computationele nanoscoop als ze het hebben over een reeks computersimulatiemethoden waarmee ze de bewegingen van moleculen over tijd kunnen visualiseren. In de afgelopen jaren zijn de methoden zo nauwkeurig geworden dat onderzoekers ze een computationele nanoscoop zijn gaan noemen; het observeren van de bewegende moleculen op een computer is vergelijkbaar met het observeren onder een nanoscoop met enorm hoge resolutie.

Ademende nucleosomen

Jan Huertas en Vlad Cojocaru, ondersteund door Hans Schöler van het Max Planck Institute for Molecular Biomedicine (Münster, Duitsland) maakten meerdere real-time filmpjes van de bewegingen van nucleosomen. Elk van deze filmpjes beslaat een microseconde van het leven van de nucleosoom. Met behulp van de filmpjes onderzochten ze hoe nucleosomen zich openen en sluiten in een beweging die bekend staat als de ademhaling van nucleosomen.

In hun nieuwe paper, gepubliceerd in PLoS Computational Biology, beschrijven Huertas en Cojocaru hoe nucleosoom-ademhaling wordt veroorzaakt. Ze ontdekten dat de volgorde waarin de bouwstenen van DNA zijn gerangschikt – de DNA-sequentie – belangrijk is voor het ademen van nucleosomen. Ook zagen ze dat de dynamiek van histonstaarten essentieel is voor dit proces. Histonstaarten zijn flexibele gebieden in histonen die een rol spelen bij de regulatie van genexpressie. Hoewel de rol van histonstaarten vaak onderzocht is, is er weinig bekend over hoe ze de bewegingen van nucleosomen beïnvloeden. Met hun simulaties beschrijven Huertas en Cojocaru de relatie tussen histonstaarten en nucleosoom-ademhaling op atomisch niveau.

Image
Deze afbeelding toont drie seconden uit het leven van een nucleosoom. Elke 4 nanoseconde werd een snapshot gemaakt en toegevoegd aan de kernregio van de histonen (wit). Weergegeven zijn de posities van het DNA (geel) en de flexibele histonstaarten (blauw, groen, rood, oranje, cyaan). De ruime beweging van de DNA-armen staat bekend als de nucleosoom-ademhalingsbeweging. Opmerkelijk is dat in dit nucleosoom de onderarm meer beweegt dan de bovenste vanwege de DNA-sequentie. Credit: Jan Huertas and Vlad Cojocaru, ©MPI for Molecular Biomedicine, ©Hubrecht Institute.
Histonmodificaties

“Het is een hele uitdaging om de ademhaling van nucleosomen te onderzoeken met computersimulaties, dus dat dit nu is gelukt is een belangrijke stap. In de toekomst kunnen we hiermee het volledige spectrum van de dynamiek van nucleosomen simuleren – van ademen tot uitpakken. Ook kunnen we nu onderzoeken hoe deze bewegingen worden beïnvloed door modificaties van histonen. Zulke modificaties komen voor in verschillende cellen en regio’s van ons DNA. Onze simulaties laten zien dat twee histonstaarten verantwoordelijk zijn voor het gesloten houden van het nucleosoom. Alleen toen deze flexibele staarten weggingen van bepaalde delen van het DNA kon het nucleosoom zich openen,” zegt onderzoeksleider Cojocaru.

Huertas, eerste auteur op de publicatie en recent gepromoveerd, voegt toe: “Actieve (open) en inactieve (gesloten) chromatine bevatten verschillende modificaties van histonstaarten. De volgende stap is het uitvoeren van simulaties met zulke modificaties. Doordat we nu op het niveau van atomen kunnen kijken, kunnen we onderzoeken hoe elke modificatie de nucleosomen en dynamiek van chromatine beïnvloedt.

Op weg naar begrip van epigenetica

Alle drie de onderzoekers zijn enthousiast over de toekomst van het gebruik van atomische computersimulaties om de mechanismen van genexpressie bij ontwikkeling en ziekte te onderzoeken. “Met de verdere toename van de beschikbare rekenkracht in de wereld zullen we binnenkort in staat zijn om milliseconden uit het leven van een nucleosoom, met alle atomen inbegrepen, te simuleren. Bovendien zullen we meerdere nucleosomen kunnen simuleren om het effect van verschillende histonmodificaties op genexpressie te bestuderen. Dit zal ongekende inzichten opleveren in de mechanismen die genexpressie reguleren,” concludeert Cojocaru.

Publicatie

Histone tails cooperate to control the breathing of genomic nucleosomes. Jan Huertas1.3, Hans R. Schöler1, and Vlad Cojocaru2,3. PLoS Computational Biology, 2021.
1 Funded by and affiliated with the MPI for Molecular Biomedicine, 2 Funded by and affiliated with the Hubrecht Institute, 3 JH is also affiliated with the Cojocaru group at Hubrecht and VC is a guest scientist at MPI for Molecular Biomedicine.

Picture Vlad Cojocaru

Vlad Cojocaru is Hubrecht fellow bij het Hubrecht Instituut.