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 Stiffness matters
22.02.2018 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

nachricht Separate brain systems cooperate during learning, study finds
22.02.2018 | Brown University

All articles from Life Sciences >>>

The most recent press releases about innovation >>>

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

Im Focus: Verlässliche Quantencomputer entwickeln

Internationalem Forschungsteam gelingt wichtiger Schritt auf dem Weg zur Lösung von Zertifizierungsproblemen

Quantencomputer sollen künftig algorithmische Probleme lösen, die selbst die größten klassischen Superrechner überfordern. Doch wie lässt sich prüfen, dass der...

Im Focus: Developing reliable quantum computers

International research team makes important step on the path to solving certification problems

Quantum computers may one day solve algorithmic problems which even the biggest supercomputers today can’t manage. But how do you test a quantum computer to...

Im Focus: Innovation im Leichtbaubereich: Belastbares Sandwich aus Aramid und Carbon

Die Entwicklung von Leichtbaustrukturen ist eines der zentralen Zukunftsthemen unserer Gesellschaft. Besonders in der Luftfahrtindustrie und in anderen Transportbereichen sind Leichtbaustrukturen gefragt. Sie ermöglichen Energieeinsparungen und reduzieren den Ressourcenverbrauch bei Treibstoffen und Material. Zum Einsatz kommen dabei Verbundmaterialien in der so genannten Sandwich-Bauweise. Diese bestehen aus zwei dünnen, steifen und hochfesten Deckschichten mit einer dazwischen liegenden dicken, vergleichsweise leichten und weichen Mittelschicht, dem Sandwich-Kern.

Aramidpapier ist ein etabliertes Material für solche Sandwichkerne. Sein mechanisches Strukturversagen ist jedoch noch unzureichend erforscht: Bislang fehlten...

Im Focus: Die Brücke, die sich dehnen kann

Brücken verformen sich, daher baut man normalerweise Dehnfugen ein. An der TU Wien wurde eine Technik entwickelt, die ohne Fugen auskommt und dadurch viel Geld und Aufwand spart.

Wer im Auto mit flottem Tempo über eine Brücke fährt, spürt es sofort: Meist rumpelt man am Anfang und am Ende der Brücke über eine Dehnfuge, die dort...

Im Focus: Eine Frage der Dynamik

Die meisten Ionenkanäle lassen nur eine ganz bestimmte Sorte von Ionen passieren, zum Beispiel Natrium- oder Kaliumionen. Daneben gibt es jedoch eine Reihe von Kanälen, die für beide Ionensorten durchlässig sind. Wie den Eiweißmolekülen das gelingt, hat jetzt ein Team um die Wissenschaftlerin Han Sun (FMP) und die Arbeitsgruppe von Adam Lange (FMP) herausgefunden. Solche nicht-selektiven Kanäle besäßen anders als die selektiven eine dynamische Struktur ihres Selektivitätsfilters, berichten die FMP-Forscher im Fachblatt Nature Communications. Dieser Filter könne zwei unterschiedliche Formen ausbilden, die jeweils nur eine der beiden Ionensorten passieren lassen.

Ionenkanäle sind für den Organismus von herausragender Bedeutung. Wenn zum Beispiel Sinnesreize wahrgenommen, ans Gehirn weitergeleitet und dort verarbeitet...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2018

21.02.2018 | Veranstaltungen

Tag der Seltenen Erkrankungen – Deutsche Leberstiftung informiert über seltene Lebererkrankungen

21.02.2018 | Veranstaltungen

Digitalisierung auf dem Prüfstand: Hochkarätige Konferenz zu Empowerment in der agilen Arbeitswelt

20.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Von Hefe für Demenzerkrankungen lernen

22.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Sektorenkopplung: Die Energiesysteme wachsen zusammen

22.02.2018 | Seminare Workshops

Die Entschlüsselung der Struktur des Huntingtin Proteins

22.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics