Visar mekanismerna kring hur DNA packas i cellkärnan

När vårt DNA replikeras måste det först packas upp och frigöras från kromosomerna. Wallenberg Academy Fellow Sebastian Deindl leder ett multidisciplinärt team som med hjälp av ett unikt mikroskop kartlägger proteinmaskinerna som sköter förpackningsarbetet. 

Sebastian Deindl

Professor i molekylär biofysik

Wallenberg Academy Fellow 2014

Lärosäte:
Uppsala universitet

Forskningsområde:
Kartlägger cellernas proteinmaskiner.

I varje mänsklig cell finns en kopia av hela vårt DNA, tätt packat i våra kromosomer. Om hela DNA-spiralen lindades upp så skulle det resultera i en flera meter lång tråd från varje cellkärna. För att rymmas i den sex mikrometer lilla kärnan har naturen utvecklat ett sinnrikt förpackningssätt. 

Förutom att spiralen ska packas så effektivt som möjligt så måste förpackningen vara lätt att öppna när cellen behöver läsa av enskilda gener. En del av lösningen är att först linda spiralen kring cylinderformade spolar, nukleosomer, som sedan läggs tätt intill varandra i form av strukturer av kromatin och i kromosomer.

Nukleosomerna består i sin tur av åtta klotrunda proteiner som kallas histoner. Länge ansågs histonerna inte fylla någon annan funktion än som förpackningsmaterial. Men under 1990-talet upptäckte forskare att de även spelade en viktig roll för genregleringen. 

Bland histonerna rör sig ständigt små proteinmaskiner för att justera nukleosomernas position och sammansättning. Allt för att se till att rätt gener kan läsas av vid rätt tillfälle. 

– Om detta går fel så kan konsekvensen bli mycket allvarliga sjukdomar i cellen, till exempel cancer. Vårt mål är att förstå hur proteinmaskinerna arbetar genom att lyfta på huven till deras motorer, säger Sebastian Deindl. 

En gruppinsats

Angreppssättet är starkt multidisciplinärt och Sebastian Deindls forskargrupp rymmer en mångfald olika kompetenser. 

– Genom att använda flera metoder kan vi närma oss grundläggande forskningsfrågor från olika vinklar. Det är en sann gruppinsats där alla bidrar och det syns genom att forskningsartiklarna vi publicerar har så många författare. 

”Wallenberg Academy Fellow ger dig friheten att dyka in i komplicerade problem utan rädsla för att misslyckas. Tvärtom är misslyckandet en del i den större rörelse som tar oss framåt.”

Här finns expertkunskap inom allt från traditionell biokemi, datorbaserade beräkningsmetoder, strukturbiologi och nya avancerade avbildningsmetoder. Särskilt två former av mikroskopi är viktiga för Deindls mekanistiska studier. Dels kryoelektronmikroskopi som avbildar molekylerna som tredimensionella strukturer och dels enkel-molekyl FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer). Den senare ger inte bilder i traditionell bemärkelse utan visar förändringar i avstånd mellan olika delar av en enskild proteinmaskin.

Förenklat uttryckt så visar kryoelektronmikroskopi de olika formerna hos proteinmaskinerna, och enkel-molekyl FRET visar dynamiken av deras rörelser.

– Enkel-molekyl FRET gör det möjligt för oss att se dynamiken hos varje molekyl i realtid och när det kombineras med strukturell information så tar det oss ett steg närmare att skapa filmer som visar proteinmaskinerna ”in-action”. 

Rörelsen detekteras genom att tolka förändringar i intensiteten av fluorescensemissionen från strategiskt valda platser i ett protein. Medan vanliga FRET-mikroskop använder sig av två färger så har Deindls grupp byggt det enda i Sverige som kan använda sig av fler färger.

– Vi vill förstå mekanismerna bakom proteinmaskinernas förmåga att förändra placering och sammansättning av nukleosomerna. När vi kan använda fler färger ger det en mer detaljerad information då vi kan övervaka flera avstånd samtidigt. Men det krävs en stor noggrannhet i designen av varje experiment för att verkligen ge rätt resultat. 

Stora legobyggen

Sebastian Delindl liknar det avancerade mikroskopbyggandet med ett Lego för vuxna. 

– Instrumenten vi bygger ser ut som stora legobyggen där delarna består av olika linser och elektronik. Ju mer avancerade verktyg vi bygger desto längre kan vi komma i förståelsen av naturen. 

Redan som barn ville han förstå hur omvärlden fungerar. Hemma i källaren varvades tekniska experiment med kemiska, ofta till hans föräldrars förskräckelse. Fortfarande finns en lekfullhet i inställningen till jobbet, även om ansvaret som forskningsledare är en viktig del av arbetet.  

– Det är extremt roligt att försöka förstå hur naturen fungerar. Kan vi bara skrapa på ytan av hur dessa proteinmaskiner fungerar så vore det fantastiskt. 

Nya läkemedel i sikte

Förståelsen kan öppna för nya läkemedel med målet att korrigera fel i hanteringen av DNA:t. Tillsammans med en forskargrupp vid The Francis Crick Institute i London, England, har Deindls grupp identifierat en av proteinmaskinerna som ett lovande läkemedelsmål.

– Vi är grundforskare och vår uppgift är att öka kunskapen men tillsammans med andra gruppers resultat kan vårt arbete visa vägen till nya behandlingsmetoder, säger Sebastian Deindl.

Han beskriver arbetet som mycket kreativt där det måste finns utrymme för att ta risker och att ibland misslyckas. 

– Här får vi stor hjälp av konceptet bakom Wallenberg Academy Fellow som uppmanar till ett stort mått av risktagande. Med hjälp av anslaget är det enklare att sätta samman ett bra team där eget initiativ är en viktig del av arbetet. 

Själv övar han sig på att delegera så mycket som möjligt av det mer rutinartade arbetet. Nyligen har familjen nämligen fått sitt andra barn. 

– Jag älskar friheten i vårt arbete, den är ett stort privilegium. Nu är mitt mål att fokusera på några få saker som är viktigare än andra och att göra dem väl, säger Sebastian Deindl. 

Text Magnus Trogen Pahlén
Bild Magnus Bergström