Недавно опубликованное сообщение показало, что эукариотический геном кодирует преференции для позиционирования нуклеосом, которые могут быть модулированы, чтобы облегчить специфические хромосомные функции.

Нуклеосомы - представленный 146 парами оснований ДНК, обернутыми вокруг октамера из гистоновых белков - формируют первый уровень геномной компакции у эукариот. Такая организация имеет важное значение для экспрессии генов, т.к. связанная с нуклеосомами ДНК менее доступна для различных регуляторных факторов, чем свободная от нуклеосом ДНК. Но как регулируется расположение нуклеосом? Может ли геном сам по себе кодировать предпочтительность их распределения?

Segal et al. поставили этот вопрос в серии экспериментов. Работая с дрожжами, авт. выделяли области ДНК, которые стабильно были обернуты вокруг нуклеосом на шкале всего генома. На базе изолированных последовательностей они использовали вероятностную модель, чтобы предсказать последовательности, которые преимущественно оборачиваются вокруг гистоновых октамеров. Известно, что определенные комбинации нуклеотидов, которые появляются снова с определенной частотой, облегчают изгибание ДНК; Segal et al. не только нашли такие мотивы и периодичности, используя свою модель, но и экспериментально манипулируя, мотивы последовательностей и их паттерны, которые д. усиливать или уменьшать сродство связывания ДНК с нуклеосомами в соответствии с предсказаниями модели. Эти результаты также показали, что предпочтительность ДНК к нуклеосомам варьирует от одной геномной области к др. Напр., центромерные последовательности имеют наивысшую предсказываемую оккупацию нуклеосом; напротив, высоко экспрессируемые гены, такие как рибосомальные или гены тРНК обнаруживают низкое предпочтение к занятию нуклеосом.

Сканирование всего генома показало, что последовательности высокого сродства возникают более часто, чем предсказывается случайной вероятностью. Используя компьютерный поход, авт. показали, что различные геномные области имеют предпочтение к одному или более паттернам позиционирования нуклеосом. Такие преференции могут оказывать важные функциональные влияния; напр., предпочтение к строгому сродству в транскрипционном сайте может сделать его менее доступным для факторов транскрипции, в то время как предпочтение к слабому сродству будет оказывать противоположный эффект. Используя различные подходы, чтобы сравнить in vivo данные по позиционированию нуклеосом, Segal et al. подтвердили обоснованность своей модели и показали, что приблизительно 50% нуклеосомной организации in vivo может быть объяснено исключительно этими предпочтениями последовательностей.

На основании своих данных авт. предположили, что путем кодирования слабого сродства к нуклеосомам геномы эукариот могут управлять транскрипционной кухней в функциональных местах. Если это верно, то эта гипотеза д. также объяснить, почему некоторые сайты связывания транскрипционных факторов остаются не занятыми in vivo.

Хотя Segal et al. допускают, что необходимы более аккуратные модели взаимодействий ДНК-нуклеосомы, это сообщение представляет собой первую ступень в направлении интеграции эффектов структуры хроматина в модели генной регуляции.

Tirosh, I. & Barkai, N. Two strategies for gene regulation by promoter nucleosomes. Genome Res. 30 Apr 2008 (doi: 10.1101/gr.076059.108) Article

Mavrich, T. N. & Jiang, C. et al. Nucleosome organization in the Drosophila genome. Nature 13 Apr 2008 (doi: 10.1038/nature06929) Article

Нуклеосомы ведут себя как дорожно пропускные пункты для транскрипции, возрастая каждый раз, когда необходим доступ с помощью RNA polymerase. Работы, которые затрагивают паттерн окупации нуклеосомами промоторов у дрожжей, показывают, что паттерны нуклеосом могут фактически способствовать модуляции генной экспрессии, потенциально детерминируя, насколько хорошо будут репгировать гены на внутренние и веншние сигналы.

С учетом недавно полученных карт оккупации нуклеосомами генома Saccharomyces cerevisiae, Tirosh and Barkai скоррелировали расположение нуклеосом с промоторных регионах с величиной генной экспрессии в ответ на различные условия и с пластичностью экспрессии с каждого гена. Как и ожидалось, много нуклеосом находилось в области в 150 bp выше transcription start site (TSS), невысокий уровнь, при котором ген экспрессируется; неожиданно оказалось, что более тесная оккупация нуклеосомами коррелирует с более высокой пластичностью, независимо от того, связаны ли пластические изменения с повышением или снижением экспрессии.

Даже если общий уровень транскрипции зависит от абсолютного количества нуклеосом на промотор, пластичность предопределяеся вместо этого их точным расположением. Анализ нуклеосом в области близкой (внутри 150 bp) или дистальной (150–400 bp) к TSS вывил два класса промоторов: те, которые с менее пластичной экспрессией с наибольшей вероятностью имели низкую оккупацию нуклеосомами вблизи TSS и более высокую оккупацию более дистального региона, тогда как более пластические промоторы харакеризовались высокой оккупацией вблизи стартовой точки транскрипции и более равномерным распределнием в др. месте. Довольно сходная связь наблюдалась между структурой и транскрипционной пластичностью промотора в 6 линиях клеток человека. Промоторы более пластичного класса генов у людей и дрожжей обладали отличающимися свойствами —таким как высокий оборот нуклеосом, это может облегчать доступ транскрипционным факторам к промоторам.

Этот уровень консервации отражает заключение более ранней работы Mavrich, Jiang с коллегами, которые получили высокого разрешения карту нуклеосом у Drosophila melanogaster и показали, что расположение нуклеосом по отношению к TSSs законсервировано как и у дрожжей.

Итак, экспрессия генов сегодня приобрела новое измерение, отражающее тот факт, что фундаментальные свойства генов, такие как склонность к вариации экспрессии, может быть жестко смонтированной в промоторах за счет адаптивных и консервативных эпигенетических механизмов.

Furuyama, T. & Henikoff, S.
Centromeric nucleosomes induce positive DNA supercoils.
Cell 138, 104–113 (2009)
Article

Центромерные нуклеосомы характеризуются присутствием одного или нескольких centromeric histone H3 (CenH3; известен как CID у Drosophila melanogaster и Cse4 у Saccharomyces cerevisiae) вариантов, которые замещают канонический гистон H3. Furuyama и Henikoff сообщают о неожиданной находке, что если H3-содержащие нуклеосомы оборачиваются ДНК left-handed образом и индуцируют негативную суперспираль, то CenH3-содержащие нуклеосомы у плодовых мушек и почкующихся дрожжей индуцируют позитивную суперспираль за счет right-handed оборачивания ДНК вокруг нуклеосом.

С помощью анализа CenH3 нуклеосом, воссозданных in vitro из гистонов D. melanogaster в plasmid supercoiling assay, авт. показали, что CenH3 нуклеосомы индуцируют позитивные суперспирали. С помощью инсерции различных ДНК в плазмидный вектор они пришли к выводу, что направление суперскручивания зависит от присутствия CenH3-содержащих нуклеосом скорее, чем свойств специфических последовательностей ДНК.

Принимая во внимание, что in vivo центромерная система у D. melanogaster не имеет практического значения по разным причинам, авт. разработали систему минихромосом у S. cerevisiae, содержащих или одиночную функциональную дрожжевую (дикого типа) или не содержащие центромер (мутантные). Минихромосомы изолированны из линий дикого типа и мутантных: каждая H3-содержащая нуклеосома индуцировала негативную суперспираль в обеих линиях, тогда как центромера, присутствующая в дикой линии, индуцировала позитивную суперспираль и 'cancelled' негативную суперспираль при замещении H3-содержащей нуклеосомой (итак, чистая разница между наличием центромеры и отсутствием таковой это две сверхспирали). Используя линию дрожжей, с дефектными кинетохорами, авт. далее показали,что кинетохоры не влияют на топологическое состояние минихромосом.

Furuyama and Henikoff пришли к выводу, что позитивная суперспираль, которая обнаруживает right-handed обертывание ДНК вокруг гистонового стержня, происходит в CenH3-содержащих нуклеосомах. Далее они предположили, что центромерные нуклеосомы возможно существуют в виде тетрамерных 'hemisomes', хотя композицию позитивно закрученного хроматина ещё предстоит установить in vitro и in vivo. Авт. полагают, что "positive supercoiling is a general feature of centromeric nucleosomes that has important implications for maintaining centromeres".