Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Need for Speed: High-speed Measurements of Molecular Motion in the Cell Nucleus

03.12.2012
Heidelberg scientists study interactions between proteins and DNA in living cells

Using a new measurement technique, Heidelberg researchers have succeeded in tracking interactions between proteins and DNA in the cell nucleus at a resolution of 1/1000 of a second.


Microscopy images after bleaching the fluorescence in a circular or rectangular region. The dark “shadows” represent the bleached proteins that moved as the image was being recorded.

Picture credits: Fabian Erdel and Karsten Rippe

They were able to measure the binding of highly specialised protein complexes that specifically change the spatial structure of the genetic information, thereby controlling the readout of the DNA information. The work of Dr. Karsten Rippe and his team was carried out at the BioQuant Center of Heidelberg University and the German Cancer Research Center.

Their research has demonstrated that the positioning of nucleosomes – complexes of DNA and specialised proteins – is a precisely regulated molecular process. Aberrant regulation can be linked to several types of cancer. The results of these studies were published in the journal PNAS.

In the human genome, the DNA strands are wrapped around specific packaging proteins, the histones. Located between these complexes, called nucleosomes, are histone-free DNA sequences that connect the nucleosomes, much like a pearl necklace. “Activating a gene requires freely accessible DNA. If the corresponding DNA is occluded in the nucleosome, the gene is often turned off”, explains Dr. Rippe.

“Hence, the nucleosome positions determine the readout pattern of the DNA sequence. The free DNA between two nucleosomes is more easily accessible than the DNA sequences in a nucleosome.” Molecular machines called chromatin remodelers can use energy to move nucleosomes along the DNA chain. Thus they establish the readout pattern that, along with other factors, determines the active DNA programme of the cell.

Rippe’s team of scientists are using fluorescence microscopy to investigate how the chromatin remodelers control the readout of the genetic information. With it they were able to measure that most of the approx. one million chromatin remodelers in the human cell transiently bind to nucleosomes to test whether all the approx. 30 million nucleosomes are at the right position. A new way of measurement was needed to understand how these molecular machines work. “We had to record short binding events at a resolution of 1/1000 of a second and at the same time detect the rare events with a binding time of several seconds or even minutes”, says Karsten Rippe. Doctoral student Fabian Erdel came up with an idea that led to “Pixel-wise Photobleaching Profile Evolution Analysis”, or 3PEA, which can be used to take such measurements in living cells.

In his experiments, Fabian Erdel used a laser beam to extinguish the artificial fluorescent tag attached to the chromatin remodelers. He noticed that the “bleached” proteins produced a “shadow” when they moved while the image was being recorded. The shape of this shadow depended on how much the movement of the chromatin remodelers slowed down due to binding to nucleosomes. “It was not easy calculating duration times of binding from the shadow image, but it was worth the effort. Our method has exciting new applications because we can use it to measure the binding of proteins in living cells very quickly and precisely”, remarks Fabian Erdel.

Using 3PEA measurements, the researchers demonstrated that an individual chromatin remodeler travels through the entire cell nucleus within a single second testing more than 300 nucleosomes – mostly without becoming active. Only occasionally the molecular machine would bind to a nucleosome for several seconds or even minutes, causing it to shift position on the DNA. Dr. Rippe and his team next want to decode signals that activate the chromatin remodelers at certain locations on the genome.

For more information, go to http://malone.bioquant.uni-heidelberg.de.

Original publication:
F. Erdel, K. Rippe: Quantifying transient binding of ISWI chromatin remodelers in living cells by pixel-wise photobleaching profile evolution analysis, PNAS, 20 November 2012, vol. 109, no. 47, E3221-3230 (online 5 November 2012, doi:10.1073/pnas.1209579109).

Contact:
Dr. Karsten Rippe
BioQuant, phone: +49 (0)6221 54-51376
karsten.rippe@bioquant.uni-heidelberg.de

Heidelberg University
Communications and Marketing
Press Office, phone: +49 (0)6221 54-2311
presse@rektorat.uni-heidelberg.de

Marietta Fuhrmann-Koch | idw
Further information:
http://malone.bioquant.uni-heidelberg.de
http://www.uni-heidelberg.de

More articles from Life Sciences:

nachricht Topologische Quantenchemie
21.07.2017 | Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe

nachricht Topological Quantum Chemistry
21.07.2017 | Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe

All articles from Life Sciences >>>

The most recent press releases about innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Einblicke unter die Oberfläche des Mars

Die Region erstreckt sich über gut 1000 Kilometer entlang des Äquators des Mars. Sie heißt Medusae Fossae Formation und über ihren Ursprung ist bislang wenig bekannt. Der Geologe Prof. Dr. Angelo Pio Rossi von der Jacobs University hat gemeinsam mit Dr. Roberto Orosei vom Nationalen Italienischen Institut für Astrophysik in Bologna und weiteren Wissenschaftlern einen Teilbereich dieses Gebietes, genannt Lucus Planum, näher unter die Lupe genommen – mithilfe von Radarfernerkundung.

Wie bei einem Röntgenbild dringen die Strahlen einige Kilometer tief in die Oberfläche des Planeten ein und liefern Informationen über die Struktur, die...

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Im Focus: Manipulating Electron Spins Without Loss of Information

Physicists have developed a new technique that uses electrical voltages to control the electron spin on a chip. The newly-developed method provides protection from spin decay, meaning that the contained information can be maintained and transmitted over comparatively large distances, as has been demonstrated by a team from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute. The results have been published in Physical Review X.

For several years, researchers have been trying to use the spin of an electron to store and transmit information. The spin of each electron is always coupled...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungen

Den Nachhaltigkeitskreis schließen: Lebensmittelschutz durch biobasierte Materialien

21.07.2017 | Veranstaltungen

Operatortheorie im Fokus

20.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einblicke unter die Oberfläche des Mars

21.07.2017 | Geowissenschaften

Wegbereiter für Vitamin A in Reis

21.07.2017 | Biowissenschaften Chemie

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungsnachrichten