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 Fingerprint' technique spots frog populations at risk from pollution
27.03.2017 | Lancaster University

nachricht Parallel computation provides deeper insight into brain function
27.03.2017 | Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) Graduate 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: Das anwachsende Ende der Ordnung

Physiker aus Konstanz weisen sogenannte Mermin-Wagner-Fluktuationen experimentell nach

Ein Kristall besteht aus perfekt angeordneten Teilchen, aus einer lückenlos symmetrischen Atomstruktur – dies besagt die klassische Definition aus der Physik....

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Wie Menschen wachsen

27.03.2017 | Veranstaltungen

Zweites Symposium 4SMARTS zeigt Potenziale aktiver, intelligenter und adaptiver Systeme

27.03.2017 | Veranstaltungen

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fließender Übergang zwischen Design und Simulation

27.03.2017 | HANNOVER MESSE

Industrial Data Space macht neue Geschäftsmodelle möglich

27.03.2017 | HANNOVER MESSE

Neue Sicherheitstechnik ermöglicht Teamarbeit

27.03.2017 | HANNOVER MESSE