14 februari

Computersimulaties laten zien hoe DNA wordt herkend voor het omzetten van cellen naar stamcellen

Terug naar nieuws

Onderzoekers uit de groep van Vlad Cojocaru hebben samen met collega’s van het Max Planck Instituut in Münster ontdekt hoe een essentieel eiwit helpt om DNA te activeren tijdens het maken van stamcellen uit gewone menselijke cellen. Ze hebben hun modellen gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Biophysical Journal.

De identiteit van een cel wordt bepaald door welk DNA wordt “afgelezen” of “niet afgelezen” op elk gegeven moment. Signalen in de cel voor het beginnen of stoppen met aflezen van het DNA wordt geregeld door transcriptiefactoren. Verandering van de identiteit van een cel gebeurt vanzelf tijdens de overgang van een ongespecialiseerde stamcel naar een gespecialiseerd celtype, zoals bijvoorbeeld een huidcel. Eerder bleek al dat deze overgang ook omgekeerd kan worden. In 2012 kregen Japanse onderzoekers een Nobelprijs omdat het hen als eerste was gelukt om een gewone huidcel terug te transformeren naar een stamcel.

Verder doorgronden van moleculaire processen
Maar tot op heden is nog niet bekend hóe het ombouwen van een huidcel naar een stamcel op moleculaire schaal precies verloopt. “Het doorgronden van de processen op het niveau van de atomen is onontbeerlijk om zulke cellen in de toekomst op een betrouwbare en efficiënte manier te kunnen maken voor individuele patiënten”, zegt onderzoeksleider Vlad Cojocaru van het Hubrecht Institute. “Men gaat ervan uit dat zulke geconstrueerde cellen deel kunnen uitmaken van de oplossing voor ziektes als Alzheimer en Parkinson, maar het productieproces moet dan wel efficiënter en beter voorspelbaar zijn.”

De pioniertranscriptiefactor Oct4 (blauw) bindt aan een nucleosoom (complex van eiwitten (groen) en het DNA (oranje) dat om de eiwitten heen gewikkeld is). Beeldsamenstelling: Jan Huertas en Vlad Cojocaru, ©MPI Münster, ©Hubrecht Institute.

Pioniertranscriptiefactor
Een van de belangrijkste eiwitten die betrokken is bij het maken van stamcellen is de transcriptiefactor Oct4. Het activeert de genexpressie, of activiteit, van de eiwitten die de lichaamscel ‘resetten’ tot een stamcel. Die genen zijn in volwassen cellen inactief en verblijven in de celkern in een sterk samengepakte structuur: chromatine. Oct4 draagt bij aan het openen van chromatine om de expressie van de genen mogelijk te maken. Daarom staat Oct4 bekend als een pioniertranscriptiefactor.

Uit de resutaten van Cojocaru en zijn promovendus – en eerste auteur van de publicatie – Jan Huertas blijkt hoe Oct4 zich bindt aan DNA op de zogenoemde nucleosomen, de herhalende eenheid van chromatine. Cojocaru: “We hebben Oct4 in verschillende configuraties gemodelleerd. Het molecuul bestaat uit twee domeinen, waarvan er in deze fase van het proces maar één kan binden aan een DNA-sequentie op het nucleosoom. Met onze simulaties ontdekten we welke van de configuraties stabiel zijn en hoe de dynamiek van nucleosomen het binden van Oct4 beïnvloedt. De modellen zijn experimenteel getest door onze collega’s Caitlin MacCarthy en Hans Schöler in Münster.”

Een stap dichterbij het maken van factoren
Dit is de eerste keer dat uit computersimulaties blijkt hoe een pioniertranscriptiefactor zich bindt aan nucleosomen en daarmee een belangrijke rol speelt bij het openen van chromatine en het reguleren van genexpressie. “Onze computationele aanpak voor het maken van Oct4 modellen is ook bruikbaar om andere transcriptiefactoren te screenen en erachter te komen hoe deze factoren binden aan nucleosomen”, aldus Cojocaru.

Cojocaru wil bovendien de huidige resultaten voor Oct4 nog verder verfijnen om één uiteindelijke structuur voor te kunnen stellen voor het Oct4-nucleosoom-complex. “We weten al bijna 15 jaar dat Oct4 samen met drie andere pionierfactoren volwassen cellen verandert in stamcellen. Maar we weten nog steeds niet hóe ze dat doen. Het is heel duur en tijdrovend om de structuur van zo’n systeem experimenteel vast te stellen. Wij hopen uiteindelijk één model te kunnen opleveren voor de binding van Oct4 aan het nucleosoom door computersimulaties te combineren met verschillende labexperimenten. Hopelijk maakt ons definitieve model het mogelijk om pioniertransciriptiefactoren te maken voor het efficiënt en betrouwbaar produceren van stamcellen en andere cellen die nodig zijn voor regeneratieve geneeskunde.”


Publicatie
Nucleosomal DNA dynamics mediate Oct4 pioneer factor binding. Jan Huertas*, Caitlin M. MacCarthy, Hans R. Schöler, and Vlad Cojocaru*. Biophysical Journal, 2020.

 

 

Vlad Cojocaru is Hubrecht fellow bij het Hubrecht Institute.