Nya insikter om genregleringsdynamik i 3D

Att genom genreglering kontrollera vilka gener som är aktiva och vilka proteiner som produceras vid varje given tidpunkt är avgörande för att celler ska fungera korrekt.  Felaktig reglering kan leda till allvarliga sjukdomstillstånd, bland annat utvecklingsstörningar och sjukdomar så som cancer, då cellerna kan växa okontrollerat eller inte reagera korrekt på signaler. Effektiv genreglering gör det möjligt för organismer att hantera tillväxt, reparation och immunsvar på ett effektivt sätt. I detta sammanhang är det avgörande att få en bättre förståelse för hur denna komplexa reglering fungerar, vilket var fokus i en PRX Life-studie som publicerades i slutet av augusti 2024.  

Vår studie är den första där någon har utforskat idén att insulatorer kan interagera svagt med omgivande kromatin snarare än med sig själva.

Studien, som har letts av Umeåforskarna Lucas Hedström och Ludvig Lizana i samarbete med Ralf Metzler vid University of Potsdam, ger ett nytt perspektiv på hur celler styr genuttryck med hjälp av spatialt åtskilda enhancers och insulatorer. Enhancers är korta DNA-sekvenser som förstärker genaktiviteten genom att binda till proteiner på promotorplatser, medan insulatorer fungerar som fysiska barriärer som hindrar enhancers från att göra just detta. Traditionella modeller föreslår att insulatorer interagerar direkt med varandra för att minska kontakterna mellan enhancers och promotorer. Författarna till studien utmanar dock nu den idén genom att introducera en stokastisk modell där insulatorer binder svagt till det omgivande DNA:t istället för till varandra.  
  
För att uttrycka det i enklare termer, säger Ludvig Lizana, docent vid institutionen för fysik och IceLab, kan man tänka sig två tejpbitar.  

- Tejpen behöver inte fästa på en annan tejp - tejp kan fästa svagt på andra ytor också. Med isolatorer tänker vi att de inte behöver fästa vid varandra - att ansluta till kromatinet, DNA-strängen, är tillräckligt för att blockera en enhancer från att förstärka uttrycket av en gen så länge den fysiskt blockerar den.

Illustration av DNA där en orange insulatorsekvens skapar en fysisk blockering genom att binda till DNA-strängen och hindra en grön förstärkarsekvens från att binda till en blå promotorsekvens för att förstärka genuttrycket.

Lucas Hedström, doktorand vid institutionen för fysik och författare till studien, förklarar hur de kom fram till denna modell:

- Yuri Schwartz grupp presenterade nyligen nya experimentella data, publicerade i Science Advances i februari 2023, som utmanade det nuvarande paradigmet för insulatorers funktion. Med detta i åtanke byggde vi en ny modell för att visa att kanske inte all cellreglering fungerar likadant, utan att det snarare kan finnas flera mekanismer i spel. 
  
Genom att simulera dessa regulatoriska interaktioner fann forskarna god överensstämmelse med experimentella tredimensionella DNA-kontaktinteraktionsdata (Hi-C) från screeningen av hundratals insulatorelement i Drosophila från Yuri Schwartz studie. Forskarna fann också betydande variationer i hur lång tid det tar för enhancers att ansluta till målgener, vilket tyder på att genreglering sker på en mer oförutsägbar tidsskala än vad man tidigare trott. Denna variabilitet kan ha viktiga konsekvenser för förståelsen av genuttrycksdynamiken i komplexa organismer.  
 
Studiens författare Ludvig Lizana utvecklar detta:  
- Vår studie är den första där någon har utforskat idén att insulatorer kan interagera svagt med omgivande kromatin snarare än med sig själva. Vårt arbete ger nya insikter om förhållandet mellan lokal tredimensionell vikning av genomet och genaktivering, vilket kan omforma hur vi närmar oss forskning om genreglering. Dessa rön kan också leda till genombrott i hur vi förstår regleringen av utvecklingsrelaterade genkluster som kräver exakt kontroll över genuttrycket och, potentiellt, genterapi och syntetisk biologi.