22.03.2022
Ein Team unter der Leitung von Professor Jan Lipfert hat einen Hochdurchsatz-Ansatz entwickelt, um Nukleosome mittels Rasterkraftmikroskopie abzubilden und dann das Ensemble ihrer Konformationen zu quantifizieren.
3D-Darstellung eines rasterkraftmikroskopischen Höhenbildes von Nukleosomes und DNA
Jede unserer Zellen enthält ein 2 m langes DNA-Genom, das in den nur etwa 10 µm großen Zellkern verpackt werden muss. Gleichzeitig muss das Genom aber zum Auslesen und zur Replikation zugänglich bleiben. Ermöglicht wird dies durch Wechselwirkungen mit Proteinen und eine hierarchische Organisation des Genoms in Chromatin. Die grundlegenden Einheiten von Chromatin sind Nukleosome, die man sich ähnlich einer Garnrolle vorstellen kann, bei der etwa 150 Basenpaare DNA um einen Kern aus Histon-Proteinen gewickelt sind.
Ein Team unter der Leitung von Professor Jan Lipfert hat einen Hochdurchsatz-Ansatz entwickelt, um Nukleosome mittels Rasterkraftmikroskopie abzubilden und dann das Ensemble ihrer Konformationen zu quantifizieren. Mit einem hochmodernen AFM und optimierten Probenvorbereitungs- und Bildgebungsprotokollen konnte das Team um Doktorand Sebastian Konrad und Postdoc Willem Vanderlinden mehr als 1000 einzelne Nukleosome in einem einzigen Sichtfeld abbilden. Die manuelle Analyse solch enormer Datensätze wäre mühsam und sehr anfällig für menschliche Fehler. Daher entwickelten die Forscher eine Analyse-Pipeline mit Werkzeugen aus dem maschinellen Lernen und der Bildverarbeitung, um die molekularen Strukturen vollautomatisch zuzuordnen und zu analysieren. Ihre Ergebnisse zeigen, wie Nukleosomen „atmen“ können, d. h. wie die DNA dynamisch fluktuieren und sich vom Histonkern lösen kann.
Ein besonderes Augenmerk der Forscher war dabei, wie die Konformationen von Nukleosomen durch epigenetische Modifikationen verändert werden, d.h. durch chemische Markierungen oder „Lesezeichen“ auf den Histon-Proteinen, die eine wichtige Rolle bei der Regulierung des Auslesens unseres Genoms spielen und denen z.B. ein Schlüsselrolle bei Alterungsprozessen zukommt. Sie konnten zeigen, dass das Abrollen der DNA in Schritten von 5 Basenpaaren erfolgt und tatsächlich stark von epigenetischen Markierungen beeinflusst werden kann.
Konrad SF, Vanderlinden W, Lipfert J.
Quantifying epigenetic modulation of nucleosome breathing by high-throughput AFM imaging.
Biophys J. 2022 Mar 1;121(5):841-851. doi: 10.1016/j.bpj.2022.01.014.
Konrad SF, Vanderlinden W, Lipfert J
A High-throughput Pipeline to Determine DNA and Nucleosome Conformations by AFM Imaging.
Bio Protoc, 2021 Oct 5;11(19):e4180, doi: 10.21769/BioProtoc.4180.
Konrad SF, Vanderlinden W, Frederickx W, Brouns T, Menze BH, De Feyter S, Lipfert J
High-throughput AFM analysis reveals unwrapping pathways of H3 and CENP-A nucleosomes.
Nanoscale, 2021 Mar 18;13(10):5435-5447, doi: 10.1039/d0nr08564b