I ricercatori hanno sviluppato una pipeline computazionale che integra e analizza l’imaging di singole cellule, i dati al microscopio e altri set di dati sull’intero genoma. Hanno chiamato l’approccio COLA (CO-localization and Looping Analysis). COLA trova eventi di looping del DNA nelle immagini al microscopio a super risoluzione e li collega alle letture delle attività misurate attraverso il genoma, come il legame della RNA polimerasi.
Utilizzando COLA, il team ha studiato gli eventi di looping in quattro loci genomici noti per interagire a lungo raggio. Sorprendentemente, hanno scoperto che i singoli circuiti raramente durano più di qualche minuto e molti sono altamente dinamici, sottoposti a rapidi montaggi e disassemblaggi. Questi risultati mettono in discussione l'opinione prevalente secondo cui i contatti genomici riflettono strutture cromatiniche stabili e persistenti che mantengono i programmi trascrizionali. Invece, il team propone un modello in cui i cicli sono transitori e si formano solo transitoriamente in risposta a specifici segnali normativi.
"I loop sono ovunque nelle cellule, ma sono molto più transitori di quanto chiunque avesse precedentemente apprezzato", ha affermato il co-autore senior Gene Yeo, PhD, professore di medicina cellulare e molecolare e direttore del Centro di biologia dell'RNA presso la UC San Diego School. di Medicina. "I nostri risultati ribaltano l'ipotesi che questi circuiti siano caratteristiche cablate e implicano che la formazione dei circuiti sia regolata dinamicamente."
Le cellule devono regolare rigorosamente il modo in cui leggono le istruzioni dai loro genomi per produrre prodotti funzionali, come le proteine che svolgono varie funzioni cellulari. Il modo in cui le cellule confezionano, organizzano e ripiegano i loro genomi in tre dimensioni gioca un ruolo fondamentale nella regolazione genetica. Questi principi organizzativi determinano a quali segmenti del DNA accede e viene interpretato dal macchinario cellulare responsabile della lettura e della trascrizione dei geni.
L’unità più fondamentale del ripiegamento del genoma prevede il looping, dove regioni distanti del DNA entrano fisicamente in contatto tra loro per aiutare a orchestrare l’espressione genica. Si ritiene che i circuiti riuniscano le proteine che guidano l'espressione genetica, consentendo loro di interagire e svolgere le loro funzioni in modo efficiente.
L'approccio COLA consente ai ricercatori di visualizzare simultaneamente loop e altre caratteristiche genomiche, catturando le relazioni spaziali e temporali con un dettaglio senza precedenti. "Ora disponiamo di un metodo in grado di correlare direttamente i cambiamenti nell'occupazione della RNA polimerasi con specifici cambiamenti del looping nelle singole cellule", ha affermato il co-primo autore Michael Niculescu III, uno studente laureato dello Yeo Lab.
I ricercatori affermano che le loro scoperte hanno ampie implicazioni per la comprensione dell’espressione genetica e dell’organizzazione del genoma. Ad esempio, suggeriscono che la natura dinamica e fluttuante dei cicli potrebbe consentire alle cellule di rispondere rapidamente ai cambiamenti ambientali o agli stimoli di sviluppo. Nel cancro e nelle malattie neurodegenerative, questa flessibilità può anche consentire alle cellule di cambiare identità cellulare e riprogrammare i programmi di espressione genetica.
"C'è molto che possiamo fare ora con questo strumento", ha detto il co-primo autore Matthew Huynh, un ricercatore post-dottorato presso lo Yeo Lab. "Possiamo testare nuove ipotesi e sondare i cambiamenti normativi associati alle malattie in modi che prima non potevamo fare."
Ulteriori coautori di questo studio sono:Yuzuru Kido, UC San Diego; James McGinnis, UC San Diego; e Nicholas Ingolia, UC Berkeley.
Questa ricerca è stata finanziata in parte dal National Institutes of Health (R35 GM143669, T32 GM007240), dalla National Science Foundation (MCB-2110538), dalla Simons Foundation (540333) e dal Ludwig Institute for Cancer Research.
