DNA är en formbar molekyl vars egenskaper påverkar hur cellen läser, packar och reparerar arvsmassan. Forskare vid Uppsala och Stockholms universitet utvecklar nu nya metoder för att mer detaljerat än någonsin avbilda livets maskineri.
Projektanslag 2024
Context matters: How underlying DNA sequence affects genomic processes
Huvudsökande:
Professor Sebastian Deindl
Uppsala universitet
Medsökande:
Stockholms universitet
Juliette Griffié
Beviljat anslag:
25 000 000 kronor under fem år
Den klassiska bilden av DNA är enkel: fyra bokstäver – A, T, C och G – som anger ordningen av baspar och därmed vilka proteiner som ska byggas. Men verkligheten är mer komplex.
DNA är en molekyl som kan vara styv eller böjlig, hårt packad eller tillfälligt uppluckrad. Ibland är den så tät att proteiner har svårt att nå fram. Just dessa inneboende egenskaper styr hur proteiner interagerar med DNA och påverkar i vilken grad gener aktiveras eller förblir tysta.
Sebastian Deindl är professor i molekylär biofysik vid Uppsala universitet och leder en forskargrupp som i samarbete med kollegor vid Stockholms universitet har som mål att avslöja hur DNA-sekvensen påverkar detta raffinerade maskineri i detalj.
Nya metoder för att se det osynliga
En spännande teknik inom dagens biomedicin är enkelcellsmikroskopi. Den gör det möjligt att följa enskilda molekyler i realtid och avslöja detaljer som annars är otillgängliga.
– Det är en otroligt kraftfull teknik för att förstå molekylära mekanismer. Men metoden har låg genomströmning. I en typisk studie som kan ta år att genomföra kan vi vanligtvis bara undersöka en eller några få olika DNA-sekvenser åt gången, säger Deindl.
Problemet är att varje DNA-sekvens har sitt eget ”energilandskap”, som Deindl uttrycker det. Att anta att alla sekvenser beter sig likadant vore att missa själva poängen.
I det nya projektet använder forskarna en egenutvecklad plattform kallad MUSCLE. I stället för att analysera en sekvens åt gången undersöks hela bibliotek av DNA-molekyler.
– De fäster slumpmässigt på en yta, och sedan tar vi hjälp av avancerad mikroskopi för att se hur proteiner interagerar med varje enskild molekyl.
Därefter körs samma prov i en sekvenseringsmaskin som kopplar varje observerad interaktion till dess specifika DNA-sekvens.
På så vis kombineras två datakällor: bilderna av interaktionerna och sekvensinformationen. Resultatet blir att tusentals sekvenser kan analyseras parallellt med en snabbhet och detaljrikedom som tidigare inte varit möjlig.
För att hantera de enorma datamängderna används maskininlärning i samarbete med Juliette Griffiés forskargrupp vid Stockholms universitet. Datorerna tränas att känna igen mönster och kan eventuellt även förutsäga hur helt nya sekvenser kommer att bete sig.
Tre livsviktiga processer
Forskarna har valt ut tre centrala biologiska processer att studera. Den första handlar om helicaser, små molekylära motorer som fungerar som dragkedjor och drar isär DNA-strängen inför replikation och reparation. Forskarna vill nu förstå vilka mekanismer som styr hastighet och effektivitet i denna grundläggande process.
– Det har länge varit känt att effektiviteten beror på om basparet är AT eller GC, eftersom GC är stabilare. Men nyare forskning visar att beroendet är mer komplext och sträcker sig över flera baspar i följd, säger Deindl.
Forskarna studerar också nukleosomer – små spolar där DNA lindas runt proteiner för att få plats i cellkärnan. För att gener ska kunna aktiveras krävs att DNA ibland blir tillgängligt trots denna inpackning. Det kan också ske genom tillfälliga ”andningsrörelser” där DNA lossnar för en kort stund.
Med MUSCLE-plattformen kan forskarna kartlägga hur DNA-sekvensen påverkar hur lätt eller sällan dessa öppningar uppstår, och hur reglerande proteiner utnyttjar dem för att binda till DNA.
En tredje process handlar om DNA-packning i cellkärnan. En enda DNA-molekyl i människan är cirka en meter lång, men måste rymmas i en cellkärna på bara några mikrometer.
– Det är som när man packar en resväska – det krävs att man viker och organiserar kläderna noggrant för att allt ska få plats, säger Deindl.
Nukleosomerna möjliggör denna kompakta struktur, men de kan samtidigt hindra enzymet RNA-polymeras som ska läsa av arvsmassan. Ofta fungerar polymeraset som en snöplog och pressar sig fram genom att tillfälligt knuffa bort nukleosomen. Genom systematiska mätningar hoppas forskarna förstå de mekanismer som avgör när packningen underlättar respektive försvårar avläsningen.
Från grundforskning till framtida medicin
Även om syftet är grundforskning, så finns en tydlig koppling till medicin. Om DNA packas, kopieras eller läses av felaktigt kan det leda till cancer och andra sjukdomar. Ju bättre man förstår de normala mekanismerna, desto lättare blir det att identifiera vad som går fel. Kunskapen kan bidra till att utveckla nya behandlingsstrategier.
Forskningen möjliggörs med stöd från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse.
– Från början var det en ganska galen idé, säger Sebastian Deindl. Det tog nästan sju år att nå vårt första proof-of-concept. Men tack vare finansieringen har vi kunnat tänka långsiktigt på ett sätt som är ovanligt i ett internationellt perspektiv.
I framtiden hoppas han att forskningen ska kunna utvidgas till att omfatta hela genomet.
– Att gå från att studera några enskilda DNA-sekvenser till att undersöka sekvenseffekter över ett helt genom på enkelmolekylnivå vore fantastiskt. Då skulle vi kunna avslöja de övergripande principerna för hur DNA-sekvenser styr både cellulär funktion och den biologiska evolutionen, säger Deindl.
Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Magnus Bergström
