Livsviktig kurragömmalek avslöjad med hjälp av ny mikroskopi

I alla levande celler pågår ständigt en avancerad men viktig kurragömmalek. I en ny artikel beskriver forskare från Uppsala universitet hur de genom väldigt snabba mätningar i realtid har kunnat följa hur dna-bindande proteiner letar igenom arvsmassan på jakt efter sina specifika bindningsställen. Forskningen presenteras i tidskriften Nature.

Dna är en dubbelsträngad molekyl som innehåller all den information som en cell behöver för att fungera. Informationen lagras som en sekvens av genetiska bokstäver, så kallade baspar. För att kunna tolka och utföra instruktionerna som finns inbäddade i den genetiska koden har vissa proteiner lärt sig att känna igen specifika dna-sekvenser. Transkriptionsfaktorerna är exempel på dna-bindande proteiner och de kan liknas vid molekylära reglage eftersom de slår på eller stänger av gener när de binder till sina målsekvenser.

Om transkriptionsfaktorerna av någon anledning inte skulle hitta fram till sina bindningsställen skulle detta få förödande konsekvenser för cellen - gener skulle inte slås på när de behövs, medan andra kanske aldrig skulle stängs av. Ur transkriptionsfaktorns perspektiv är jakten på ”rätt” sekvensen som att söka efter den berömda nålen (ett dussintal genetiska bokstäver) i höstacken (arvsmassan som kan innehålla miljoner, eller till och med miljarder, bokstäver).

Detta sökproblem har varit föremål för omfattande studier, och det finns många teorier som försöker förklara hur transkriptionsfaktorerna faktiskt lyckas fiska ut nålen till slut. En populär teori går ut på att transkriptionsfaktorn glider på dna-molekylen för att påskynda sökprocessen. Transkriptionsfaktorn tumlar runt slumpmässigt i cellen, men sökprocessen blir lite mer effektiv om proteinet kan leta igenom ett större antal genetiska bokstäver varje gång den kolliderar med dna-molekylen. Tidigare forskning har visat att transkriptionsfaktorerna verkligen glider på dna, men det är fortfarande oklart hur det går till.

Hur transkriptionsfaktorer glider på dna är den centrala frågan i denna nya studie som leds av Uppsalaforskarna Sebastian Deindl och Johan Elf.

– Det är ett mysterium hur transkriptionsfaktorn kan glida så snabbt på icke-specifika dna-sekvenser, men samtidigt binda effektivt till sin målsekvens, det är ju inte så stor skillnad rent kemiskt, säger doktoranden Emil Marklund.

Men att studera proteiner som glider på dna är komplicerat. Det handlar om sällsynta händelser som går oerhört snabbt och de två forskargrupperna var tvungna att utveckla helt nya optiska metoder.

– Det är spännande att vi nu kan observera transkriptionsfaktorer som glider. Det är första gången som vi kan se om och hur ofta det glidande proteinet känner igen sin målsekvens, säger Sebastian Deindl.

Det visade sig att transkriptionsfaktorn är ganska slarvig och ofta missar målet. Proteinet söker igenom dna:t otroligt snabbt, 100 baspar skannas på en tusendels sekund. Forskarna var tvungna att göra mycket snabbare mätningar än någon gjort tidigare för att undersöka hur proteinet utforskar dna-ytan. Genom att utnyttja ljuspolarisation, samma fenomen som används i polariserande solglasögon, kunde författarna följa det glidande proteinets spiralformade väg runt dna-molekylen i realtid.

– Det är fantastiskt att vi kan se processer som inte ens tar en millisekund för cellen att utföra - det är här livets kemi händer, säger Johan Elf.

Med hjälp av den nya metoden kan forskarna se att det glidande proteinet inte följer dna-spiralen exakt. I stället såg man hur transkriptionsfaktorn ofta spårar ur för att sedan halkar tillbaka i spiralbanan.

– Det kan verka lite slarvigt, men det proteinet förlorar i noggrannhet vinner det i tid. Det är en väl optimerad sökmekanism för att proteinet ska kunna hitta fram till målet så snabbt som möjligt, säger Emil Marklund.

För mer information kontakta:
Sebastian Deindl, universitetslektor vid institutionen för cell- och molekylärbiologi, Uppsala universitet: +46 (0) 70 840 0496, sebastian.deindl@icm.uu.se

Marklund et al (2020) DNA surface exploration and operator bypassing during target search, Nature, DOI: 10.1038/s41586-020-2413-7

Forskningen är finansierad av Knut och Alice Wallenbergs stiftelse (KAW), European Research Council (ERC), Vetenskapsrådet (VR) och SciLifeLab.