Разнообразие и Специализация Модификаторов

Chromatin remodelling: the industrial revolution of DNA around histones Anjanabha Saha, Jacqueline Wittmeyer and Bradley R. Cairns Nature Reviews Molecular Cell Biology 7, No 6, 437-447 (June 2006) \| doi:10.1038/nrm1945
Chromatin remodellers are specialized multi-protein machines that enable access to nucleosomal DNA by altering the structure, composition and positioning of nucleosomes. All remodellers have a catalytic АТФase subunit that is similar to known DNA-translocating motor proteins, suggesting DNA translocation as a unifying aspect of their mechanism. Here, we explore the diversity and specialization of chromatin remodellers, discuss how nucleosome modifications regulate remodeller activity and consider a model for the exposure of nucleosomal DNA that involves the use of directional DNA translocation to pump 'DNA waves' around the nucleosome. Рис.1. \| Dynamic properties of nucleosomes. Рис.2. \| Composition of SWI/SNF and ISWI remodelling complexes. Рис.3. \| Sliding properties of SWI/SNF and ISWI remodelling complexes. Рис.1. \| The wave–ratchet–wave model for DNA translocation. Box 1 \| Strategies for accessing nucleosomal DNA Box 2 \| The economics of nucleosome movement Табл.1 Biological functions of remodellers Helicase An enzyme that unwinds the double DNA helix near the replication fork before DNA polymerase acts on it. Replication fork moves from 3' to 5' of the leading strand. Unwinding is also necesary for DNA repair. Mutations in the helicase genes on chromosome 2q and 19q are one group of causes of the DNA repair defect xeroderma pigmentosum (an autosomal recessive disease). Links FURTHER INFORMATION Bradley Cairns' homepage DATABASES UniProtKB RAD54 Sth1 Rsc8 Rsc6 Sfh1 Arp7 Arp9 Chromatin remodelling in mammalian differentiation: lessons from ATP-dependent remodellers Ivana L. de la Serna, Yasuyuki Ohkawa and Anthony N. Imbalzano (anthony. imbalzano@umassmed.edu) NATURE REVIEWS \| GENETICS VOLUME 7 \| No.6, JUNE 2006 \| 461-473 \| doi:10.1038/nrg1882 The initiation of cellular differentiation involves alterations in gene expression that depend on chromatin changes, at the level of both higher-order structures and individual genes. Consistent with this, chromatin-remodelling enzymes have key roles in differentiation and development. The functions of ATP-dependent chromatin-remodelling enzymes have been studied in several mammalian differentiation pathways, revealing cell-type-specific and gene-specific roles for these proteins that add another layer of precision to the regulation of differentiation. Recent studies have also revealed a role for ATP-dependent remodelling in regulating the balance between proliferation and differentiation, and have uncovered intriguing links between chromatin remodelling and other cellular processes during differentiation, including recombination, genome organization and the cell cycle. Рис.1. \| ATP-dependent chromatin-remodelling enzymes.. Рис.2. \| Long-range control of expression at the interleukin-2б locus is mediated by ATP-dependent chromatin remodelling. Рис.3. \| Temporal requirement for chromatin remodelling at the myogenin locus. Box 1 \| Histone-modifying enzymes Box 2 \| The connection between SNF2 ATPases and chromatin — lessons from yeast and flies Box 3 \| ATP-dependent remodellers in non-mammalian development and differentiation Табл.1 Effects of genetic disruption of ATP-dependent chromatin-remodelling enzymes during mouse development	Последняя декада исследований революционизировала наше понимание хроматина. Ранние исследования фокусировались на упаковке и компакции ДНК с помощью нуклеосом, первичных повторяющихся единиц хроматина, что привело к мнению о хроматине как относительно статично упакованном материале. Хотя упаковка и закрытие (occlusion) ДНК на самом деле являются атрибутами функции нуклеосом, сегодня нуклеосомы рассматриваются как динамические инструктивные участники действительно во всех хромосомных процессах, включая транскрипцию, репликацию, репарацию ДНК, конструкцию kinetochore и centromere и поддержание telomere¹. Однако, нуклеосомы сами по себе являются стабильными и обнаруживают ограниченную подвижность, а их динамические свойства обусловлены действием нуклеосомы-модифицирующими и - ремоделирующими комплексами. Модифицирующие комплексы добавляют или удаляют ковалентные модификации к определенным остаткам гистоновых белков, маркируя гистоны, которые впоследствии распознаются транскрипционными регуляторами и др. факторами^2,3. Модифицирующие комплексы работают совместно с хроматин-ремоделирующими комплексами, которые реструктуируют, мобилизуют и изгоняют нуклеосомы, чтобы регулировать доступ к ДНК⁴. Ремоделирующие факторы относятся к нескольким семействам, которые специализируются на определенных целях хроматина. Вместе эти специализированные модифицирующие и ремоделирующие комплексы ведут к упорядоченному рекрутированию транскрипционных регуляторов на определенные локусы и придают хроматину его динамический характер⁵. В соответствии со своей специализацией in vivo, каждый ремоделирующий комплекс затрагивает структуру нуклеосом и расположение нуклеосом характерным способом. Эти различия могут быть интерпретированы как доказательство, что разные remodellers используют несвязанные механизмы, чтобы реструктуировать нуклеосомы⁶. Однако, все ремоделирующие факторы нуждаются в гидролизе АТФ для своей ремоделирующей функции и все они содержат АТФase домен, котторый очень сходен с тем, что присутствует в известных ДНК translocases. Следовательно, альтернативное мнение заключается в том, что транслокация ДНК может осуществляться всеми remodellers⁷. Подтверждают это мнение некоторые remodellers, обладающие ДНК-транслокационной активностью^7-11. Dynamic properties of nucleosomes Нуклеосомы обладают, по крайней мере, тремя динамическими свойствами in vivo: композиционными альтерациями, ковалентными модификациями и трансляционным репозиционированием (т.е., изменением позиции гистонового октамера на новую позицию вдоль ДНК) (Fig. 1). Нуклеосомы сконструированы из 4-х канонических гистонов¹² (H2A, H2B, H3 и H4) или, альтеранативно, из ваиантов гистонов, которые специализируют хроматин на определенные регионы^13-15. В то время как канонические нуклеосомы депонируются во время репликации ДНК, гистоновые варианты откладываются активно независимым от репликации способом¹⁶. Напр., нуклеосомы, которые содержат вариант H2A.Z (Htz1 у дрожжей) гистона H2A, встречаются с более высокой частотой на промоторах генов и закладываются с помощью хроматин-ремоделирующего комплекса SWR1 (Refs 14,17,18), чтобы помочь активации генов¹⁹. Кроме того, нуклеосомы могут быть ковалентно модифицированы (напр., за счет ацетилирования или метилирования) по lysine остаткам, которые располагаются в их N-терминальных 'хвостах', которые отходят от сердцевины октамера. Репертуар гистоновых модификаций и их локализации рассмотрен в др. обзоре³. Энзимы, модифицирующие гистоны, достигают определенных локусов благодаря своему взаимодействию с сайт-специфическими ДНК-связывающими белками - активаторы транскрипции д. рекрутировать энзимы, которые создают 'активирующие' гистоновые модификации, такие как ацетилирование, тогда как репрессоры транскрипции рекрутируют энзимы, которые катализируют 'репрессивные' модификации, такие как деацетилирование. Активирующие модификации привлекают remodellers и базовые транскрипционные факторы, чтобы способствовать транскрипции, тогда как репрессивные модификации в целом ограничивают доступ базовым транскрипционным факторам и привлекают белки, которые способствуют упаковке и компакции хроматина. Наконец, нуклеосомы мобилизуются на альтернативные позиции вдоль ДНК или со временем отторгаются с помощью remodellers, чтобы обеспечить регулируемый доступ к последовательностям ДНК. Репозиционирование и отторжение нуклеосом являются важными для многих функций хроматина: чтобы корректно разместить пространственно нуклеосомы во время сборки хроматина, чтобы обеспечить упорядоченный доступ транскрипционным факторам к специфическим генам во время регуляции транскрипции и чтобы регулировать доступ факторам репарации ДНК к повреждениям ДНК в хроматине⁴. Все эти три динамических процесса (composition, modification и repositioning) работают сочетано, чтобы установить или изменить региональные свойства хроматина, хотя относительная важность и порядок этих процессов варьируют при анализе индивидуальных локусов. Remodeller diversity and specialization В-се эукариоты содержат, по крайней мере, 5 семейств remodellers хроматина: SWI/SNF, ISWI, NURD/Mi-2/CHD, INO80 и SWR1. Определение remodeller может быть также распространено на родственника RAD54 белок, который может изменять структуру нуклеосом ^{in vitro}^8,10 и может репозиционировать нуклеосомы во время репарации ДНК. В целом remodellers обеспечивают выдающееся количество биологических процессов (Table 1). Чтобы понять их специализированные роли, нужно понять механизм их действия, Мы сконцентрировались на двух хорошо изученных семействах ремоделирующих комплексов хроматина, SWI/SNF и ISWI, которые совместно проливают существенный свет на процесс ремоделирования; мы коротко обсудим семейство SWR1 в свете этих исследований. Remodeller specialization. Remodellers из семейств SWI/SNF и ISWI выполняют разные цели in vivo и обладают уникальными белковыми составами (Fig. 2). SWI/SNF remodellers содержат законсервированную АТФase субъединицу и набор из 5 дополнительных, законсервированных стержневых членов, которые вместе определяют семейство²⁰ (Fig. 2). Напр., дрожжевой SWI/SNF-family remodeller RSC содержит АТФase Sth1 и стержневые белки Rsc8, Rsc6, Sfh1, Arp7 и Arp9 (Ref. 21). ISWI remodellers обладают идентичной АТФase субъединицей, ISWI, тогда как уникальные ассоциированные белки специализируют каждый ISWI-содержащий комплекс (NURF, CHRAC и ACF)²⁰. Напр., комплекс ACF содержит ISWI АТФase и белок Acf1 (Ref. 22). Как уникальные субъединицы специализируют функцию или активность ISWI комплекса является интересным вопросом, но это не входит в задачи данного обзора. Мы сконцентрируемся на функции АТФase субъединиц SWI/SNF и ISWI ремодельеров и рассмотрим их сходство и различия. Важно, что АТФase домен, который присутствует в SWI/SNF АТФases очень сходен с АТФase доменом в ISWI и в др. ремодельерах^23,24, это открывает возможность, что эти АТФases обладают сходным фундаментальным механизмом. В дополнение к законсервированному АТФase домену каталитические субъединицы SWI/SNF и ISWI remodellers также содержат уникальные домены. которые расположены вблизи их С концов и помогают нацеливать и/или регулировать комплекс. Напр., SWI/SNF-remodeller АТФases содержат bromodomain, который находится вблизи их С концов, мотив, который связывает ацетилированные гистоновые хвосты²⁵ (Fig. 2). Бромодомен, который присутствует в каталитической АТФase (Snf2/Swi2 субъединица) дрожжевого SWI/SNF комплекса, важен для ассоциации дрожжевого SWI/SNF с ацетилированным хроматином²⁶, что указывает на роль по доставке или удержанию SWI/SNF на определенных локусах. Определенные SWI/SNF-remodeller субъединицы содержат множественные bromodomains с предпочтением к определенным ацетилированным остаткам в гистоновых хвостах²⁷, которые могут помочь специфицировать доставку ремоделирующих комплексов на определенные нуклеосомы. Сходным образом С конец ISWI белка содержит два домена, известных как SANT и SLIDE (Fig. 2), которые могут помогать ISWI в распознавании двух детерминант нуклеосом: гистоновых хвостов и линкера ДНК, которая выходит из нуклеосомы²⁸, соотв. ( ISWI комплексы играют центральные роли в сборке хроматина²⁹, которая обеспечивает упорядочение и пространственное расположение (т.е., translational phasing) нуклеосом вследствие репликации ДНК³⁰. Напротив, SWI/SNF remodellers лишены этой функции. Для выполнения своей роли по регуляции транскрипции ISWI remodellers прежде всего организуют и упорядочивают расположение нуклеосом, чтобы способствовать репрессии, как показано Tsukiyama, Becker, Kadonaga и Tamkun группами^31,32. Напротив, SWI/SNF remodellers в первую очередь нарушают упорядоченность и реорганизуют расположение нуклеосом, чтобы обеспечить связывание и активацию транскрипционного фактора³³. Однако, существует описание хроматиновых локусов, где ISWI ремодельеры организуют хроматин гена, чтобы способствовать трансляционной элонгации³⁴ и локусы, где SWI/SNF ремодельеры способствуют связыванию репрессоров транскрипции³⁵. Итак. ъотя эти комплексы выполняют специфические цели, существует определенный хроматиновый контекст, который предопределяет точный исходный результат их действия. Серия элегантных in vitro биохимических экспериментов в лаб. Becker, Owen-Hughes, Wu и Kadonaga показала, что ISWI ремодельеры влияют на упорядоченное расположение нуклеосом, тогда как SWI/SNF ремодельеры нарушают упорядоченность нуклеосом. ISWI комплексы, такие как ACF, способствуют упорядоченному расположению и одинаковому пространству между нуклеосомами вдоль ДНК матрицы^22,36 (Fig. 3a, right panel). Напротив, SWI/SNF ремодельеры в целом приводят в беспорядок нуклеосомы, которые первоначально были расположены одинаково в пространстве^37,38 (Fig. 3a, left panel), хотя комплекс SWI/SNF у Drosophila melanogaster может обладать ограниченной активностью по распределению в пространстве³⁹. Др. отличие между ISWI и SWI/SNF remodellers связано с их действием на мононуклеосомы, что предоставляет некоторую информацию об их механических отличиях. SWI/SNF ремодельеры генерируют многочисленные нуклеосомные продукты, с ДНК во многих отличающихся translational positions вдоль поверхности октамера⁴⁰ (Fig. 3b). Однако, выдающимся нуклеосомным продуктом является один, в котором ДНК отодвигается назад (recessed) приблизительно на 50 bp, что дает в результате виды нуклеосом, которые лишены 4-5 контактов гистон-ДНК^37,41. Напротив. этот продукт не обнаруживается с ISWI ремодельерами, которые вместо этого генерируют нуклеосомы с униформной трансляционной позицией. Интересно, что определенный трансляционный продукт, который создается, зависит от белкового фактора(ов), который ассоциирует с ISWI АТФase. Напр., белок ISWI в изолированном состоянии преимущественно соскальзывает с мононуклеосом, которые располагаются в центре фрагмента ДНК, в направлении конца, в то время как ISWI белок, который находтся внутри CHRAC или ACF комплексов движет октамеры, которые располагаются в конце, в направлении центра⁴² (Fig. 3b), это указывает на то, что ассоциированные белки влияют на реакцию. Хотя свободные концы ДНК, которые присутствуют на мононуклеосомах, не присутствуют в хроматине in vivo, эти разные свойства могут быть пригодны для построения механистических моделей. Всё вместе это указывает, что скольжение нуклеосом является свойством, которое является общим SWI/SNF и ISWI ремодельерам, но разные трансляционные продукты, которые генерируются, указывают на то, что каждый использует уникальный механизм. Альтернативно, эти ремодельеры м. обладать сходными лежащими в основе механизмами, но используют и регулируют этот механизм по-разному, чтобы специально приспособить ремодельеры для специфических функций in vivo. В самом деле, в последнее время было предположено несколько механизмов для увеличения доступа к ДНК на поверхности нуклеосомы и для скольжения нуклеосом (Box 1). Remodellers as DNA-translocating machines Remodeller АТФases напоминают SF2 ДНК translocases. Ключом к пониманию механизмов действия ремодельеров является понимание, как гидролиз АТФ превращается в механическую силу, которая меняет контакты гистон-ДНК. Важно, что все реакции по ремоделированию являются зависимыми от АТФ, а изолированная каталитическая АТФase субъединица SWI/SNF или ISWI ремодельеров может вызывать слабые уровни ремоделирования, как впервые показано в лаб. Kingston and Becker^43,44. Важно, что все remodeller АТФases относятся к superfamily II (SF2) DEAD/H-bOX helicases и translocases. Члены SF2-семейства включают как ДНК, так и РНК translocases, некоторые из которых ассоциированы с helicase activity⁴⁵, а также type I restriction энзимы, которые лишены helicase активности, но обладают ДНК-транслокационной активностью⁴⁶. Члены семейства SF2 RecG и NS3 структурно и механически сходны с SF1-family translocase PcrA, и вместе эти белки были тщательно исследованы^47-49. SF1 и SF2 helicases содержат два домена, wedge-like DNA-duplex-destabilizing домен, который связан с DNA-translocating моторным доменом; helicase активность обеспечивается за счет их комбинированного и связанного действия, чтобы сформировать подвижные ДНК клинья (wedge), которые разъединяют дуплексную ДНК⁴⁵. Однако, ремодельеры хроматина не являются геликазами и как группировка последовательностей, так и структурные исследования указывают, что remodeller АТФases содержат транслокационный домен, но лишены wedge домена. Итак, одинаковым свойством энзимов SF1- и SF2-семейств является АТФ-зависимая транслокация на ДНК или РНК, разностороннее свойство, которое может быть использовано в разной возможности в биологии нуклеиновых кислот. Итак, ключевым вопросом становится, могут ли ремодельеры обладать этим свойством транслокации и используют ли его для ремоделирования. Remodellers translocate DNA. В последние годы серия исследований с дрожжевыми ремодельерами SWI/SNF, RSC, ISWI и Rad54 установила, что их АТФase субъединицы на самом деле АТФ-зависимые ДНК translocases^7-11. Первоначальные доказательства ДНК транслокации включали: во-первых, remodeller АТФase активность пропорциональна длине линейной молекулы ДНК, это указывает на то, что АТФ обменивается постоянно во время транслокации вплоть до достижения конца ДНК; во-вторых, чрезвычайно маленькие миниокружности ДНК обнаруживают максимальную АТФase активность, т.к. они воспроизводят ДНК нескончаемой длины; и, в третьих, способность ремодельеров удалять физические барьеры, которые присутствуют на ДНК - напр., устранение третьей нити ДНК с тройной спирали АТФ-зависимым способом^7,9. Более того, ремодельеры SWI/SNF, RSC и ISWI, по-видимому, следуют в 3'→5' направлении вдоль одной нити дуплексной ДНК, это указывает на то, что ремодельеры используют энергию гидролиза АТФ для направленной транслокации ДНК вдоль каркаса одной нити дуплексной ДНК^9,50. Недавно одномолекулярные подходы позволили осуществить непосредственные измерения транслокации с помощью RSC комплекса вдоль голой ДНК. Путем комбинирования atomic-force микроскопии с магнитной ловушкой Owen-Hughes с коллегами наблюдали, что RSC комплекс формирует петли на в остальном голой ДНК. Эти петли росли АТФ-зависимым способом, что согласуется с использование RSC транслокации ДНК, чтобы увеличить размеры петли⁵¹. Интересно, что после их вытягивания фракция петель укорачивалась АТФ-зависимым способом, это открывает возможность, что транслокация м. переключать направление при определенных условиях. DNA translocation on nucleosomes. Чтобы понять как транслокация ДНК может быть использована для ремоделирования нуклеосом, мы должны сначала понять, как ремодельер контактирует с нуклеосомным субстратом и как он предопределяет положение нуклеосомы, с которой д. произойти транслокация. Для большинства ремодельеров стандартная энзим-субстрат единица ремоделирования использует одиночный ремодельер, которые связан с одиночной нуклеосомой^52,53, хотя определенные ремодельеры могут соединяться с нуклеосомой в виде димеров⁵⁴. ISWI ремодельеры связывают нуклеосомы двумя отдельными местами: внутренний сайт приблизительно 2 витка от nucleosomal dyad и внешний сайт, который использует ДНК линкер, который находится вблизи сайта nucleosome-entry^55,56 (Fig. 4b). Это внешнее взаимодействие с линкера ДНК является функционально важным, т.к. линкер ДНК необходим. чтобы полностью активировать ISWI АТФase активность^9,56. Сайт внутреннего связывания находится по соседству с местом, где хвосты гистонов H4 выходят из нуклеосомы, а остатки 16-19 хвоста гистона H4 являются критическими для активации ISWI АТФase активности^57,58. Ремодельер SWI/SNF-семейства RSC и ремодельеры ISWI обладают заметным сходством и различиями. Одинаково с ISWI, АТФase домен Sth1, по-видимому, контактирует с нуклеосомной ДНК в фиксированном внутреннем сайте приблизительно 2 витка от нуклеосомной диады⁵⁰. Однако, окончательная проверка в форме исследований структурных и поперечных связей всё ещё необходима. В противоположность ISWI, RSC соединяется с сердцевиной нуклеосомы независимо от связующей ДНК⁵⁰, a АТФase активность RSC затрагивается не существенно линкером ДНК или хвостом H4. Взаимодействие RSC АТФase субъединицы, Sth1, с нуклеосомой (Kd приблизительно 100 nM) намного слабее, чем то, что наблюдается с RSC комплексом (Kd приблизительно 7 nM), это указывает на то, что др. компоненты RSC осуществляют связывание высого сродства, чтобы помочь закрепить ремодельер на нуклеосоме⁵⁰. Итак, каталитическая АТФase SWI/SNF и ISWI ремодельеров, по-видимому, контактирует с нуклеосомой вблизи диады, но эти два комплекса отличаются своим взаимодействием с др. детерминантами на нуклеосоме. Недавно предоставлены доказательства, что АТФase домены RSC, SWI/SNF и ISWI мобилизуют нуклеосомы путем прямой транслокации ДНК, которая инициируется с внутреннего нуклесомного сайта^50,59. С RSC АТФase Sth1 соединяется в позиции приблизительно 2 витка от нуклеосомной диады, от которой она тянет ДНК от проксимального линкера в нуклеосому и выбрасывает её в направлении диады вокруг нуклеосомы в дистальный линкер⁵⁰. Чтобы установить этот принцип была препарирована серия нуклеосомных субстратов. Один набор давал пробелы в одной из двух нитей ДНК в определенных позициях относительно нуклеосомной ДНК, которые останавливали транслокацию как только они сталкивались с транслокационным доменом. Др. набор нуклеосом, содержал линкеры ДНК варьирующей длины, которые выставлялись с одной из сторон нуклеосом. Удивительно, что длина интактной ДНК, которая присутствовала на одной из строн нуклеосомы, предопределялась длиной ДНК, которая выставлялась с противоположной стороны нуклеосомы, и все субстраты предсказуемы по источнику инициации транслокации ДНК и в конечном итоге по терминации, которая приходится примерно 2 витка от нуклеосомной диады. Более того, пробелы, которые присутствуют на расстоянии 2-х витков от диады существенно редуцируют связывание Sth1 с нуклеосомой. Эти наблюдения и интерпретации согласуются с более ранними наблюдениями за RSC и SWI/SNF в лаб. Owen-Hughes и Bartholomew, как упоминалось выше: вследствие ремоделирования хроматина ДНК сдвигается назад приблизительно на 50 п.н. внутри нуклеосомы (к позиции приблизительно 2 витка от диады), тем самым разрываются 4-5 контактов гистон-ДНК^37,41. Недавнее исследование с использованием созидательно подхода, которые связан с помещением небольших (2-основания) пробелов ДНК в случайных позициях вдоль нуклеосомной ДНК, чтобы определить местоположение внутри нуклеосомы, где небольшой пробел в ДНК (2-основания) м. предупреждать эффективное скользение нуклеосом с помощью дрожжевого SWI/SNF комплекса и дрожжевого Isw2 комплексп⁵⁹. Удивительно, что для обоих ремодельеров пробелы внутри области приблизительно в 2 витка от диады существенно мешали скольжению. В случае SWI/SNF комплекса, вмешательство было специфичным для нити ДНК, указывая на 3'→5' полярность транслокации ДНК на нуклеосому, что согласуется с полярностью транслокации RSC вдоль голой ДНК⁵⁰. Все эти исследования установили направленную транслокацию ДНК от внутреннего сайта как признак механизма ремоделирования. Затем мы исследовали механику транслокации с помощью членов SF1- и SF2-семейств и затем приложили эти принципы к действию ремодельеров на нуклеосомы. Building a remodeller using an SF1/SF2 blueprint. Исследования кристаллической структуры и биохимии 4-х белков (PcrA, RecG, NS3 и Rad54) предоставили важную информацию на механизм транслокации ДНК^11,47-49,60. Исследование всех 4-х транслоказ показали, что транслокационный домен может быть подразделен на два субдомена, DNA-torsion субдомен и DNA-tracking субдомен. Для PcrA, было выявлено несколько ко-структур: в отсутствие АТФ, оба субдомена взаимодействуют с ДНК, с ДНК, находящейся в небольшой щели между двумя субдоменами. После связывания АТФ торсионный субдомен тянет и скручивает дуплексную ДНК, что приводит к помещению добавочной пары оснований ДНК в шель между двумя субдоменами. Ttracking субдомен включает два тандемно расположенных RecA-like мотива, между которыми находится карман для связывания АТФ, а также платформа для взаимодействия с ДНК. Гидролиз АТФ вызывает конформационное изменение между двумя RecA-like мотивами, которое приводит только к движению DNA-tracking субдомена на одну пару оснований в 3'→5' направлении вдоль одной из двух нитей, названной tracking нитью. Проще говоря, торсионный субдомен скармливает tracking субдомену одну пару оснований ДНК, которая затем движется храповиком на одно основание после гидролиза АТФ. Как только торсионный субдомен снова поставляет следующую пару оснований цикл движения заканчивается и в результате происходит червеобразное ('inchworm-like') перемещение вдоль ДНК с эффективностью 1 пн на гидролизованный АТФ^48,61 (step size). Недавно одномолекулярные подходы с SF2-семейства RNA helicase NS3 подтвердили родственный inchworm-like механизм⁶², с чуть более сложным механизмом. Аналогично с PcrA, NS3 может рассматривать как состоящую из двух соединенных РНК-связывающих доменов: ведущий домен сопровождается tracking доменом. NS3 прокладывает путь в 3'→5' направлении вдоль РНК, используя inchworm-like механизм, который состоит из приращений приблизительно в 11 пн. Удивительно, что это движение может быть подразделено на три АТФ-заивисимые субступени, которые вызывают храповидное перемещение tracking домена вдоль tracking нити (используя шаг примерно в 3.6 пн/АТФ), перемещаясь ещё ближе к ведущему домену, Как только tracking домен сталкивается с ведущим доменом, то forward домен завершает цикл в ступеньку длиной приблизительно 11 пн. Итак, SF1 и SF2 транслоказы, по-видимому, обладают общим inchworm-like механизмом, но могут отличаться количеством пар нуклеотидов, перешагиваемых за один гидролиз АТФ и/или количеством tracking субступеней, приходящихся на каждый цикл транслокации. Затем мы применили эти принципы к транслокации ДНК на нуклеосомы. The wave-ratchet-wave model Здесь мы применим данные и принципы, которые обсуждались выше, чтобы создать модель SWI/SNF и ISWI ремодельеров. Имеется не единственный способ, с помощью которого могут разрываться контакты гистон-ДНК (Box 1), и мы отметим, что транслокация ДНК была протестирована не для всех ремодельеров или всех членов семейств SWI/SNF и ISWI. SWI/SNF и ISWI ремодельеры. как предполагается, обладают 4 общими свойствами (Fig. 4): во-первых, их связывание с нуклеосомой происходит в определенной позиции; во-вторых, АТФ-зависимое конформационное изменение в ремодельеров, которое инициируется с помощью torsion/forward субдоменов и которое разрывает проксимальные контакты гистон-ДНК, создает ДНК волну на поверхности октамера; в-третьих, перемещение ДНК волны посредством tracking субдомена, который располагается вблизи диады, заставляет осуществлять направленное движение ДНК по типу, аналогичному с направленным храповиком; и, в-четвертых, распространение ДНК волны вокруг нуклеосомы с помощью one-dimensional diffusion. Однако, SWI/SNF и ISWI ремодельеры, как предполагается, отличаются по своей регуляции этих ступеней, что может давать в результате уникальные продукты ремоделирования. Applying the model to SWI/SNF. Сначала мы приложили модель к SWI/SNF (Fig. 4a), который соединяется с сердцевиной нуклеосомы и использует её транслокационный домен (который состоит из torsion и tracking субдоменов), чтобы затронуть ДНК приблизительно на расстоянии 2-х витков от нуклеосомной диады. Мы подчеркиваем, что tracking субдомен остается фиксированным в этом положении на гистоновом октамере, с ДНК движущиеся через него во время транслокации - т.е., inchworming от фиксированной позиции. Затем торсионный субдомен подвергается конформационному изменению, которое тянет с скручивает ДНК. Доказательства торсионных стрессов впервые были получены в лаб. Owen-Hughes и Peterson^63,64. Мы отметили, что торсионные стрессы являются интегральным компонентом предполагаемого механизма транслокации ДНК, т.к. транслокация спирального субстрата создает скручивание (torsion). Этот тянущий и скручивающий компонент вызывает временный разрыв контактов гистон-ДНК между этим сайтом и проксимальным сайтом вхождения в нуклеосому, это оттаскивает ДНК от линкера (Box 2). Этот разрыв сопровождается быстрым реформированием этого движения с помощью торсионного домена, обеспечивая tracking домен ДНК волной - сегмент ДНК, который длиннее, чем обычно аккомодированный между двумя контактами гистон-ДНК и который недокручен по сравнению со стандартной B-form DNA. В принципе, минимальная длина волны ДНК является длиной ДНК, которая транслоцируется в один раунд гидролиза АТФ (размер шага). Эта длина неизвестна для ремодельеров; однако, длина из 1-2 пар оснований согласуется с размером шага для PcrA, почти равна длине субступени, используемой NS3 и согласуется с tracking потребностью, которая наблюдается для RSC^50,61. Это действие создает ДНК волну на поверхности нуклеосомы в щели между торсионным и tracking субдоменами. Т.к. tracking субдомен предназначен для движения вдоль tracking нити, то этот сегмент ДНК проходит через него в одном направлении 3'→5' Это действие помещает волну на нити ДНК на противоположную сторону translocase домена, который формирует волну ДНК, которая и недоскручена и более длинная, чем обычно укладывается внутри стандартного контакта гистон-ДНК. В принципе волна на 1 пн д. содержать достаточно энергии, чтобы растягивать и разрывать проксимальный контакт гистон-ДНК. Однако, дальнейшие раунды гидролиза АТФ могут быть использованы для создания волн более значительных размеров и соответственно с более высокой энергией, чтобы гарантировать распространение волны. Т.к. контакты гистон-ДНК обладают сходной потенциальной энергией, то волна может затем распространяться за счет одномерной диффузии, с разрыванием контактов гистон-ДНК на ведущем крае волны и восстановлением их на ведомом крае. Хотя такие волны могут в принципе двигаться в любом направлении, но tracking домен (который функционирует как молекулярный храповик) предупреждает движение назад. Расположение храповика в этой позиции может помочь в улучшении эффективности движения волны через область диады, где контакты гистон-ДНК самые сильные. Вследствие их прохождения через диаду волна затем может распространяться вокруг нуклеосомы за счет одномерной диффузии к линкеру, чтобы обеспечить развязку (resolution). В конце цикла торсионный домен восстанавливает свою инициальную расширенную конформацию, приводя в результате к net трансляционному движению октамера. Мы назвали эту спекулятивную модель 'wave-ratchet-wave': волна ДНК генерируется втягиванием ДНК в нуклеосому, затем она проходит через однонаправленный храповик вблизи диады и распространяется к дистальному линкеру с помощью диффузии. Applying the model to ISWI. В принципе сходный механический стереотип может быть использован ISWI для скольжения нуклеосом, но с самостоятельным способом регуляции, чтобы объяснить его уникальные функции in vitro и in vivo⁶⁵ (Fig. 4b). ISWI обладает уникальным SLIDE доменом вблизи его С конца, который взаимодействует с линкерной ДНК в сайте при входе в нуклеосому^28,56. Связывание ISWI ремодельера ACF с нуклеосомой (в отсутствие АТФ), как известно, нарушает контакты гистон-ДНК вблизи места вхождения в нуклеосому (Fig. 4b, top left); это соединение не вызывает скольжения, но энергия связывания может использоваться частично, чтобы нарушить контакты гистон-ДНК в этой области⁵⁴. Интересно, что после связывания АТФ, ISWI подвергается существенному конформационному изменению⁶⁶, и мы предполагаем, что это может приводить к движению С-терминальной области по типу движения, который сходен с плечом рычага, что приводит к полному разрушению контактов гистон-ДНК в месте вхождения в нуклеосому, чтобы обеспечить инициальную волну ДНК. Важная работа многих лабораторий по ISWI и SWI/SNF ремодельерам внесла вклад в это представление о волне ДНК внутри нуклеосомы^{7,50,52-55, 59,67}. Это конформационное изменение может быть вызвано с помощью и связано с тягой ДНК с помощью торсионного домена на внутреннем сайте вблизи диады, что предоставляет слаженный механизм для втягивания ДНК в нуклеосому (Fig. 4b). Мы отмечаем, что SWI/SNF энзимы может быть не нужны для увеличенного плеча рычага, чтобы разрывать проксимальные контакты гистон-ДНК, т.к. SWI/SNF комплекс генерирует более высокие уровни торсионных сил, чем это делает ISWI комплекс⁶⁴. В отличие от SWI/SNF, ISWI ремодельеры нуждаются в ДНК линкерах для полной АТФase активности⁹, это указывает на то, что C-терминальное плечо рычага может активировать АТФase, если оно связывает ДНК линкер. Это может объяснить, почему ISWI не генерирует нуклеосомный продукт с 50 пн ДНК, упрятанной в нуклеосоме: линкер ДНК регулирует ISWI АТФase/translocase активность, но не SWI/SNF, это предупреждает ISWI от транслокации свободных концов ДНК вне границ сайта вхождения в нуклеосому. Напротив, т.к. SWI/SNF энзимы не регулируются с помощью присутствия линкера ДНК, они могут продолжать транслоцировать ДНК вплоть до тех пор, пока свободный конец не достигнет translocase домена, который располагается приблизительно 50 п.н. внутрь нуклеосомы. Способность линкера ДНК регулировать активность транслокации ISWI обеспечивает механизм для упорядоченного и processive распределения в пространстве нуклеосом во время сборки хроматина⁶⁸. Т.к. нуклеосома подвергается скольжению, то она приближается к соседней нуклеосоме. Как полагают Bartholomew с коллегами линкер д. укорачиваться вплоть до тех пор, пока соседняя нуклеосома ограничивает способность ISWI или ассоциированных с ней субъединиц связывать линкерную ДНК, которая д. останавливать транслокацию и перемещать соседнюю нуклеосому на то же самое фиксированное в каждый момент времени⁵⁶. Это может помочь в создании соотв., тонкого расположение в пространстве нуклеосом, видимого в компактных регионах молчащего хроматина. Удивительно, что ремодельеры ISWI обладают др. способом регуляции; ISWI АТФase активность нуждается в присутствии хвоста гистона H4 (остатки 16-19) в отсутствии ацетилирования гистона H4 по остатку K16 (H4K16)^57,58. Т.к. ацетилирование H4K16 коррелирует с активной транскрипцией, то это может негативно регулировать ISWI ассоциацию и/или активность транскрипционно активных регионов и , следовательно, в основном ограничена nucleosome-spacing/chromatin-compaction активностью ISWI в не ацетилированном хроматине. Исследования dosage compensation у мух предоставили интересное биологическое применение этих принципов. Только Х хромосома самцов гиперацетилирована по H4K16, тогда как две Х хромосомы самок обнаруживают нормальные уровни ацетилирования. Эта модификация исключает ISWI из Х хромосомы самцов, который обеспечивает компакцию хроматина и может способствовать в среднем двухкратному увеличению экспрессии генов с этой хромосомы, что и предопределяет дозовую компенсацию^57,58,69. Итак, комплексы ISWI также могут подтверждать модель транслокации ДНК, которая использует 'wave-ratchet-wave' принцип со связывание и/или активностью ISWI, также регулируемых с помощью линкерной ДНК и отсутствия ацетилирования гистона H4K16. Nucleosome remodelling - catch the wave? Одним из важных нерешенных вопросов является, могут ли ремодельеры превращать нуклеосомную ДНК в доступную для регуляторных факторов путем соскальзывания ДНК на линкер⁵⁰, с помощью временного доступа к ДНК на поверхности октамера^53,70или с помощью комбинации из двух (Box 1). Хотя такие способы нельзя исключить, определенные физические параметры могут быть удовлетворительными для доступа ДНК на октамере, включая ДНК волну достаточного размера, чтобы выпятить весь сайт связывания ДНК. Сегодня размеры волн во время ремоделирования не известны и нуждаются в тестировании, хотя волна в 1 пн была определена на нуклеосомной поврехности с помощью структурных исследований^71,72. Более того, если крупные волны могут быть аккомодированы на поверхности нуклеосом, то эти волны д. персистировать на нуклеосомной поверхности в течение достаточного промежутка времени, чтобы сделать возможным связывание факторов. В принципе. распространение волны д.б. исключительно быстрым в смысле одно-мерной диффузии. Однако, ремодельеры могут в принципе обладать способностью мешать распространению волн на поверхность нуклеосом, что дает достаточное время транскрипционным факторам для достижения своих сайтов связывания. Этот принцип сдерживания волны ДНК на поверхность нуклеосом д. также использоваться и факторами, реконструирующими нуклеосомы. SWR1 обнаруживает удивительную способность удалять H2A-H2B димеры из нуклеосом и замещать их димерами Htz1-H2B, создавая вариант нуклеосом, которые содержат гистоновый H2A вариант Htz1 (Refs 14, 17, 18) (Fig. 1, bottom row). Модель wave-ratchet-wave требует как конформационного изменения в ремодельерах, так и инициального события транслокации ДНК, которое разрывает 4 наружных контакта гистон-ДНК, которые нуждаются в H2A-H2B. В принципе разрыв контактов гистон-ДНК д.б. ограничен этой областью и способствует замещению димеров H2A-H2B на Htz1-H2B вариант димеров. Более того, способность ремодельеров создавать и ограничивать волны может способствовать ремодельерам разрывать достаточное количество контактов гистон-ДНК, чтобы отторгнуть октамер от ДНК^73,74. Многие промоторы являются слегка дефицитными по гистонам и становятся ещё более дефицитными после активации, это открывает возможность, что отторжение гистонов помогает регулировать транскрипцию, обеспечивая доступ к промотору⁷⁵. В согласии с этим принципом то, что ремоделдьеры SWI/SNF могут переносить нуклеосомы с одного участка ДНК на др., это напоминает тип отторжения^76,77. Учитывая его важную роль в регуляции транскрипции, можно лучше понять механизм ejection/transfer нуклеосом. Conclusions and future directions Here, we have explored the dynamic properties of nucleosomes and summarized evidence from many laboratories that chromatin-remodelling АТФases function as DNA translocases. On the basis of these studies, we presented a basic model for nucleosome remodelling, termed wave–ratchet–wave: a DNA wave is generated on the nucleosome surface by pulling DNA from the linker into the nucleosome, passing the DNA wave through a directional ratchet located near the nucleosomal dyad and then propagating the DNA wave to the distal linker by diffusion. As different chromatin remodellers affect nucleosome structure in different ways, we considered how this basic model might be adapted to accommodate the different products that are generated by SWI/SNF and ISWI remodellers by imposing unique regulatory factors on each complex. This basic model includes features that are not prominent in previous models, including the principle that the catalytic АТФase binds at a site near the nucleosomal dyad and initiates directional translocation from that location. Furthermore, the model can accommodate, at least in principle, a wide range of observed remodelling activities that include sliding, transcription-factor access, nucleosome ejection and nucleosome restructuring. Undoubtedly, more information will be gained with regard to the mechanism of individual remodellers, and it will be of interest to determine whether these new insights support this basic model or whether entirely new models need to be constructed to better explain the observations. This concept of remodellers as octamer-bound directional DNA translocases is currently being tested through various approaches in many laboratories. For example, proteins that are associated with the АТФase subunit, as well as determinants on the nucleosome, are being examined for their effects on DNA-translocation properties. In addition, single-molecule approaches will be important for examining parameters such as translocation force, speed and processivity on nucleosomes. Furthermore, structural studies of remodellers will be invaluable for understanding the translocation mechanism and its regulation. In the coming years, biophysical, biochemical and molecular approaches will all contribute to our understanding of these remarkable machines.

Последняя декада исследований революционизировала наше понимание хроматина. Ранние исследования фокусировались на упаковке и компакции ДНК с помощью нуклеосом, первичных повторяющихся единиц хроматина, что привело к мнению о хроматине как относительно статично упакованном материале. Хотя упаковка и закрытие (occlusion) ДНК на самом деле являются атрибутами функции нуклеосом, сегодня нуклеосомы рассматриваются как динамические инструктивные участники действительно во всех хромосомных процессах, включая транскрипцию, репликацию, репарацию ДНК, конструкцию kinetochore и centromere и поддержание telomere¹.

Однако, нуклеосомы сами по себе являются стабильными и обнаруживают ограниченную подвижность, а их динамические свойства обусловлены действием нуклеосомы-модифицирующими и - ремоделирующими комплексами. Модифицирующие комплексы добавляют или удаляют ковалентные модификации к определенным остаткам гистоновых белков, маркируя гистоны, которые впоследствии распознаются транскрипционными регуляторами и др. факторами^2,3. Модифицирующие комплексы работают совместно с хроматин-ремоделирующими комплексами, которые реструктуируют, мобилизуют и изгоняют нуклеосомы, чтобы регулировать доступ к ДНК⁴. Ремоделирующие факторы относятся к нескольким семействам, которые специализируются на определенных целях хроматина. Вместе эти специализированные модифицирующие и ремоделирующие комплексы ведут к упорядоченному рекрутированию транскрипционных регуляторов на определенные локусы и придают хроматину его динамический характер⁵.

В соответствии со своей специализацией in vivo, каждый ремоделирующий комплекс затрагивает структуру нуклеосом и расположение нуклеосом характерным способом. Эти различия могут быть интерпретированы как доказательство, что разные remodellers используют несвязанные механизмы, чтобы реструктуировать нуклеосомы⁶. Однако, все ремоделирующие факторы нуждаются в гидролизе АТФ для своей ремоделирующей функции и все они содержат АТФase домен, котторый очень сходен с тем, что присутствует в известных ДНК translocases. Следовательно, альтернативное мнение заключается в том, что транслокация ДНК может осуществляться всеми remodellers⁷. Подтверждают это мнение некоторые remodellers, обладающие ДНК-транслокационной активностью^7-11.

Dynamic properties of nucleosomes

Нуклеосомы обладают, по крайней мере, тремя динамическими свойствами in vivo: композиционными альтерациями, ковалентными модификациями и трансляционным репозиционированием (т.е., изменением позиции гистонового октамера на новую позицию вдоль ДНК) (Fig. 1). Нуклеосомы сконструированы из 4-х канонических гистонов¹² (H2A, H2B, H3 и H4) или, альтеранативно, из ваиантов гистонов, которые специализируют хроматин на определенные регионы^13-15. В то время как канонические нуклеосомы депонируются во время репликации ДНК, гистоновые варианты откладываются активно независимым от репликации способом¹⁶. Напр., нуклеосомы, которые содержат вариант H2A.Z (Htz1 у дрожжей) гистона H2A, встречаются с более высокой частотой на промоторах генов и закладываются с помощью хроматин-ремоделирующего комплекса SWR1 (Refs 14,17,18), чтобы помочь активации генов¹⁹.

Кроме того, нуклеосомы могут быть ковалентно модифицированы (напр., за счет ацетилирования или метилирования) по lysine остаткам, которые располагаются в их N-терминальных 'хвостах', которые отходят от сердцевины октамера. Репертуар гистоновых модификаций и их локализации рассмотрен в др. обзоре³. Энзимы, модифицирующие гистоны, достигают определенных локусов благодаря своему взаимодействию с сайт-специфическими ДНК-связывающими белками - активаторы транскрипции д. рекрутировать энзимы, которые создают 'активирующие' гистоновые модификации, такие как ацетилирование, тогда как репрессоры транскрипции рекрутируют энзимы, которые катализируют 'репрессивные' модификации, такие как деацетилирование. Активирующие модификации привлекают remodellers и базовые транскрипционные факторы, чтобы способствовать транскрипции, тогда как репрессивные модификации в целом ограничивают доступ базовым транскрипционным факторам и привлекают белки, которые способствуют упаковке и компакции хроматина.

Наконец, нуклеосомы мобилизуются на альтернативные позиции вдоль ДНК или со временем отторгаются с помощью remodellers, чтобы обеспечить регулируемый доступ к последовательностям ДНК. Репозиционирование и отторжение нуклеосом являются важными для многих функций хроматина: чтобы корректно разместить пространственно нуклеосомы во время сборки хроматина, чтобы обеспечить упорядоченный доступ транскрипционным факторам к специфическим генам во время регуляции транскрипции и чтобы регулировать доступ факторам репарации ДНК к повреждениям ДНК в хроматине⁴. Все эти три динамических процесса (composition, modification и repositioning) работают сочетано, чтобы установить или изменить региональные свойства хроматина, хотя относительная важность и порядок этих процессов варьируют при анализе индивидуальных локусов.

Remodeller diversity and specialization

В-се эукариоты содержат, по крайней мере, 5 семейств remodellers хроматина: SWI/SNF, ISWI, NURD/Mi-2/CHD, INO80 и SWR1. Определение remodeller может быть также распространено на родственника RAD54 белок, который может изменять структуру нуклеосом ^{in vitro}^8,10 и может репозиционировать нуклеосомы во время репарации ДНК. В целом remodellers обеспечивают выдающееся количество биологических процессов (Table 1). Чтобы понять их специализированные роли, нужно понять механизм их действия, Мы сконцентрировались на двух хорошо изученных семействах ремоделирующих комплексов хроматина, SWI/SNF и ISWI, которые совместно проливают существенный свет на процесс ремоделирования; мы коротко обсудим семейство SWR1 в свете этих исследований.

Remodeller specialization. Remodellers из семейств SWI/SNF и ISWI выполняют разные цели in vivo и обладают уникальными белковыми составами (Fig. 2). SWI/SNF remodellers содержат законсервированную АТФase субъединицу и набор из 5 дополнительных, законсервированных стержневых членов, которые вместе определяют семейство²⁰ (Fig. 2). Напр., дрожжевой SWI/SNF-family remodeller RSC содержит АТФase Sth1 и стержневые белки Rsc8, Rsc6, Sfh1, Arp7 и Arp9 (Ref. 21). ISWI remodellers обладают идентичной АТФase субъединицей, ISWI, тогда как уникальные ассоциированные белки специализируют каждый ISWI-содержащий комплекс (NURF, CHRAC и ACF)²⁰. Напр., комплекс ACF содержит ISWI АТФase и белок Acf1 (Ref. 22). Как уникальные субъединицы специализируют функцию или активность ISWI комплекса является интересным вопросом, но это не входит в задачи данного обзора. Мы сконцентрируемся на функции АТФase субъединиц SWI/SNF и ISWI ремодельеров и рассмотрим их сходство и различия. Важно, что АТФase домен, который присутствует в SWI/SNF АТФases очень сходен с АТФase доменом в ISWI и в др. ремодельерах^23,24, это открывает возможность, что эти АТФases обладают сходным фундаментальным механизмом.

В дополнение к законсервированному АТФase домену каталитические субъединицы SWI/SNF и ISWI remodellers также содержат уникальные домены. которые расположены вблизи их С концов и помогают нацеливать и/или регулировать комплекс. Напр., SWI/SNF-remodeller АТФases содержат bromodomain, который находится вблизи их С концов, мотив, который связывает ацетилированные гистоновые хвосты²⁵ (Fig. 2). Бромодомен, который присутствует в каталитической АТФase (Snf2/Swi2 субъединица) дрожжевого SWI/SNF комплекса, важен для ассоциации дрожжевого SWI/SNF с ацетилированным хроматином²⁶, что указывает на роль по доставке или удержанию SWI/SNF на определенных локусах. Определенные SWI/SNF-remodeller субъединицы содержат множественные bromodomains с предпочтением к определенным ацетилированным остаткам в гистоновых хвостах²⁷, которые могут помочь специфицировать доставку ремоделирующих комплексов на определенные нуклеосомы. Сходным образом С конец ISWI белка содержит два домена, известных как SANT и SLIDE (Fig. 2), которые могут помогать ISWI в распознавании двух детерминант нуклеосом: гистоновых хвостов и линкера ДНК, которая выходит из нуклеосомы²⁸, соотв. (

ISWI комплексы играют центральные роли в сборке хроматина²⁹, которая обеспечивает упорядочение и пространственное расположение (т.е., translational phasing) нуклеосом вследствие репликации ДНК³⁰. Напротив, SWI/SNF remodellers лишены этой функции. Для выполнения своей роли по регуляции транскрипции ISWI remodellers прежде всего организуют и упорядочивают расположение нуклеосом, чтобы способствовать репрессии, как показано Tsukiyama, Becker, Kadonaga и Tamkun группами^31,32. Напротив, SWI/SNF remodellers в первую очередь нарушают упорядоченность и реорганизуют расположение нуклеосом, чтобы обеспечить связывание и активацию транскрипционного фактора³³. Однако, существует описание хроматиновых локусов, где ISWI ремодельеры организуют хроматин гена, чтобы способствовать трансляционной элонгации³⁴ и локусы, где SWI/SNF ремодельеры способствуют связыванию репрессоров транскрипции³⁵. Итак. ъотя эти комплексы выполняют специфические цели, существует определенный хроматиновый контекст, который предопределяет точный исходный результат их действия.

Серия элегантных in vitro биохимических экспериментов в лаб. Becker, Owen-Hughes, Wu и Kadonaga показала, что ISWI ремодельеры влияют на упорядоченное расположение нуклеосом, тогда как SWI/SNF ремодельеры нарушают упорядоченность нуклеосом. ISWI комплексы, такие как ACF, способствуют упорядоченному расположению и одинаковому пространству между нуклеосомами вдоль ДНК матрицы^22,36 (Fig. 3a, right panel). Напротив, SWI/SNF ремодельеры в целом приводят в беспорядок нуклеосомы, которые первоначально были расположены одинаково в пространстве^37,38 (Fig. 3a, left panel), хотя комплекс SWI/SNF у Drosophila melanogaster может обладать ограниченной активностью по распределению в пространстве³⁹. Др. отличие между ISWI и SWI/SNF remodellers связано с их действием на мононуклеосомы, что предоставляет некоторую информацию об их механических отличиях. SWI/SNF ремодельеры генерируют многочисленные нуклеосомные продукты, с ДНК во многих отличающихся translational positions вдоль поверхности октамера⁴⁰ (Fig. 3b). Однако, выдающимся нуклеосомным продуктом является один, в котором ДНК отодвигается назад (recessed) приблизительно на 50 bp, что дает в результате виды нуклеосом, которые лишены 4-5 контактов гистон-ДНК^37,41. Напротив. этот продукт не обнаруживается с ISWI ремодельерами, которые вместо этого генерируют нуклеосомы с униформной трансляционной позицией.

Интересно, что определенный трансляционный продукт, который создается, зависит от белкового фактора(ов), который ассоциирует с ISWI АТФase. Напр., белок ISWI в изолированном состоянии преимущественно соскальзывает с мононуклеосом, которые располагаются в центре фрагмента ДНК, в направлении конца, в то время как ISWI белок, который находтся внутри CHRAC или ACF комплексов движет октамеры, которые располагаются в конце, в направлении центра⁴² (Fig. 3b), это указывает на то, что ассоциированные белки влияют на реакцию. Хотя свободные концы ДНК, которые присутствуют на мононуклеосомах, не присутствуют в хроматине in vivo, эти разные свойства могут быть пригодны для построения механистических моделей.

Всё вместе это указывает, что скольжение нуклеосом является свойством, которое является общим SWI/SNF и ISWI ремодельерам, но разные трансляционные продукты, которые генерируются, указывают на то, что каждый использует уникальный механизм. Альтернативно, эти ремодельеры м. обладать сходными лежащими в основе механизмами, но используют и регулируют этот механизм по-разному, чтобы специально приспособить ремодельеры для специфических функций in vivo. В самом деле, в последнее время было предположено несколько механизмов для увеличения доступа к ДНК на поверхности нуклеосомы и для скольжения нуклеосом (Box 1).

Remodellers as DNA-translocating machines

Remodeller АТФases напоминают SF2 ДНК translocases. Ключом к пониманию механизмов действия ремодельеров является понимание, как гидролиз АТФ превращается в механическую силу, которая меняет контакты гистон-ДНК. Важно, что все реакции по ремоделированию являются зависимыми от АТФ, а изолированная каталитическая АТФase субъединица SWI/SNF или ISWI ремодельеров может вызывать слабые уровни ремоделирования, как впервые показано в лаб. Kingston and Becker^43,44. Важно, что все remodeller АТФases относятся к superfamily II (SF2) DEAD/H-bOX helicases и translocases. Члены SF2-семейства включают как ДНК, так и РНК translocases, некоторые из которых ассоциированы с helicase activity⁴⁵, а также type I restriction энзимы, которые лишены helicase активности, но обладают ДНК-транслокационной активностью⁴⁶. Члены семейства SF2 RecG и NS3 структурно и механически сходны с SF1-family translocase PcrA, и вместе эти белки были тщательно исследованы^47-49.

SF1 и SF2 helicases содержат два домена, wedge-like DNA-duplex-destabilizing домен, который связан с DNA-translocating моторным доменом; helicase активность обеспечивается за счет их комбинированного и связанного действия, чтобы сформировать подвижные ДНК клинья (wedge), которые разъединяют дуплексную ДНК⁴⁵. Однако, ремодельеры хроматина не являются геликазами и как группировка последовательностей, так и структурные исследования указывают, что remodeller АТФases содержат транслокационный домен, но лишены wedge домена. Итак, одинаковым свойством энзимов SF1- и SF2-семейств является АТФ-зависимая транслокация на ДНК или РНК, разностороннее свойство, которое может быть использовано в разной возможности в биологии нуклеиновых кислот. Итак, ключевым вопросом становится, могут ли ремодельеры обладать этим свойством транслокации и используют ли его для ремоделирования.

Remodellers translocate DNA. В последние годы серия исследований с дрожжевыми ремодельерами SWI/SNF, RSC, ISWI и Rad54 установила, что их АТФase субъединицы на самом деле АТФ-зависимые ДНК translocases^7-11. Первоначальные доказательства ДНК транслокации включали: во-первых, remodeller АТФase активность пропорциональна длине линейной молекулы ДНК, это указывает на то, что АТФ обменивается постоянно во время транслокации вплоть до достижения конца ДНК; во-вторых, чрезвычайно маленькие миниокружности ДНК обнаруживают максимальную АТФase активность, т.к. они воспроизводят ДНК нескончаемой длины; и, в третьих, способность ремодельеров удалять физические барьеры, которые присутствуют на ДНК - напр., устранение третьей нити ДНК с тройной спирали АТФ-зависимым способом^7,9. Более того, ремодельеры SWI/SNF, RSC и ISWI, по-видимому, следуют в 3'→5' направлении вдоль одной нити дуплексной ДНК, это указывает на то, что ремодельеры используют энергию гидролиза АТФ для направленной транслокации ДНК вдоль каркаса одной нити дуплексной ДНК^9,50.

Недавно одномолекулярные подходы позволили осуществить непосредственные измерения транслокации с помощью RSC комплекса вдоль голой ДНК. Путем комбинирования atomic-force микроскопии с магнитной ловушкой Owen-Hughes с коллегами наблюдали, что RSC комплекс формирует петли на в остальном голой ДНК. Эти петли росли АТФ-зависимым способом, что согласуется с использование RSC транслокации ДНК, чтобы увеличить размеры петли⁵¹. Интересно, что после их вытягивания фракция петель укорачивалась АТФ-зависимым способом, это открывает возможность, что транслокация м. переключать направление при определенных условиях.

DNA translocation on nucleosomes. Чтобы понять как транслокация ДНК может быть использована для ремоделирования нуклеосом, мы должны сначала понять, как ремодельер контактирует с нуклеосомным субстратом и как он предопределяет положение нуклеосомы, с которой д. произойти транслокация. Для большинства ремодельеров стандартная энзим-субстрат единица ремоделирования использует одиночный ремодельер, которые связан с одиночной нуклеосомой^52,53, хотя определенные ремодельеры могут соединяться с нуклеосомой в виде димеров⁵⁴. ISWI ремодельеры связывают нуклеосомы двумя отдельными местами: внутренний сайт приблизительно 2 витка от nucleosomal dyad и внешний сайт, который использует ДНК линкер, который находится вблизи сайта nucleosome-entry^55,56 (Fig. 4b). Это внешнее взаимодействие с линкера ДНК является функционально важным, т.к. линкер ДНК необходим. чтобы полностью активировать ISWI АТФase активность^9,56. Сайт внутреннего связывания находится по соседству с местом, где хвосты гистонов H4 выходят из нуклеосомы, а остатки 16-19 хвоста гистона H4 являются критическими для активации ISWI АТФase активности^57,58.

Ремодельер SWI/SNF-семейства RSC и ремодельеры ISWI обладают заметным сходством и различиями. Одинаково с ISWI, АТФase домен Sth1, по-видимому, контактирует с нуклеосомной ДНК в фиксированном внутреннем сайте приблизительно 2 витка от нуклеосомной диады⁵⁰. Однако, окончательная проверка в форме исследований структурных и поперечных связей всё ещё необходима. В противоположность ISWI, RSC соединяется с сердцевиной нуклеосомы независимо от связующей ДНК⁵⁰, a АТФase активность RSC затрагивается не существенно линкером ДНК или хвостом H4. Взаимодействие RSC АТФase субъединицы, Sth1, с нуклеосомой (Kd приблизительно 100 nM) намного слабее, чем то, что наблюдается с RSC комплексом (Kd приблизительно 7 nM), это указывает на то, что др. компоненты RSC осуществляют связывание высого сродства, чтобы помочь закрепить ремодельер на нуклеосоме⁵⁰. Итак, каталитическая АТФase SWI/SNF и ISWI ремодельеров, по-видимому, контактирует с нуклеосомой вблизи диады, но эти два комплекса отличаются своим взаимодействием с др. детерминантами на нуклеосоме.

Недавно предоставлены доказательства, что АТФase домены RSC, SWI/SNF и ISWI мобилизуют нуклеосомы путем прямой транслокации ДНК, которая инициируется с внутреннего нуклесомного сайта^50,59. С RSC АТФase Sth1 соединяется в позиции приблизительно 2 витка от нуклеосомной диады, от которой она тянет ДНК от проксимального линкера в нуклеосому и выбрасывает её в направлении диады вокруг нуклеосомы в дистальный линкер⁵⁰. Чтобы установить этот принцип была препарирована серия нуклеосомных субстратов. Один набор давал пробелы в одной из двух нитей ДНК в определенных позициях относительно нуклеосомной ДНК, которые останавливали транслокацию как только они сталкивались с транслокационным доменом. Др. набор нуклеосом, содержал линкеры ДНК варьирующей длины, которые выставлялись с одной из сторон нуклеосом. Удивительно, что длина интактной ДНК, которая присутствовала на одной из строн нуклеосомы, предопределялась длиной ДНК, которая выставлялась с противоположной стороны нуклеосомы, и все субстраты предсказуемы по источнику инициации транслокации ДНК и в конечном итоге по терминации, которая приходится примерно 2 витка от нуклеосомной диады. Более того, пробелы, которые присутствуют на расстоянии 2-х витков от диады существенно редуцируют связывание Sth1 с нуклеосомой. Эти наблюдения и интерпретации согласуются с более ранними наблюдениями за RSC и SWI/SNF в лаб. Owen-Hughes и Bartholomew, как упоминалось выше: вследствие ремоделирования хроматина ДНК сдвигается назад приблизительно на 50 п.н. внутри нуклеосомы (к позиции приблизительно 2 витка от диады), тем самым разрываются 4-5 контактов гистон-ДНК^37,41.

Недавнее исследование с использованием созидательно подхода, которые связан с помещением небольших (2-основания) пробелов ДНК в случайных позициях вдоль нуклеосомной ДНК, чтобы определить местоположение внутри нуклеосомы, где небольшой пробел в ДНК (2-основания) м. предупреждать эффективное скользение нуклеосом с помощью дрожжевого SWI/SNF комплекса и дрожжевого Isw2 комплексп⁵⁹. Удивительно, что для обоих ремодельеров пробелы внутри области приблизительно в 2 витка от диады существенно мешали скольжению. В случае SWI/SNF комплекса, вмешательство было специфичным для нити ДНК, указывая на 3'→5' полярность транслокации ДНК на нуклеосому, что согласуется с полярностью транслокации RSC вдоль голой ДНК⁵⁰. Все эти исследования установили направленную транслокацию ДНК от внутреннего сайта как признак механизма ремоделирования. Затем мы исследовали механику транслокации с помощью членов SF1- и SF2-семейств и затем приложили эти принципы к действию ремодельеров на нуклеосомы.

Building a remodeller using an SF1/SF2 blueprint. Исследования кристаллической структуры и биохимии 4-х белков (PcrA, RecG, NS3 и Rad54) предоставили важную информацию на механизм транслокации ДНК^11,47-49,60. Исследование всех 4-х транслоказ показали, что транслокационный домен может быть подразделен на два субдомена, DNA-torsion субдомен и DNA-tracking субдомен. Для PcrA, было выявлено несколько ко-структур: в отсутствие АТФ, оба субдомена взаимодействуют с ДНК, с ДНК, находящейся в небольшой щели между двумя субдоменами. После связывания АТФ торсионный субдомен тянет и скручивает дуплексную ДНК, что приводит к помещению добавочной пары оснований ДНК в шель между двумя субдоменами. Ttracking субдомен включает два тандемно расположенных RecA-like мотива, между которыми находится карман для связывания АТФ, а также платформа для взаимодействия с ДНК. Гидролиз АТФ вызывает конформационное изменение между двумя RecA-like мотивами, которое приводит только к движению DNA-tracking субдомена на одну пару оснований в 3'→5' направлении вдоль одной из двух нитей, названной tracking нитью. Проще говоря, торсионный субдомен скармливает tracking субдомену одну пару оснований ДНК, которая затем движется храповиком на одно основание после гидролиза АТФ. Как только торсионный субдомен снова поставляет следующую пару оснований цикл движения заканчивается и в результате происходит червеобразное ('inchworm-like') перемещение вдоль ДНК с эффективностью 1 пн на гидролизованный АТФ^48,61 (step size).

Недавно одномолекулярные подходы с SF2-семейства RNA helicase NS3 подтвердили родственный inchworm-like механизм⁶², с чуть более сложным механизмом. Аналогично с PcrA, NS3 может рассматривать как состоящую из двух соединенных РНК-связывающих доменов: ведущий домен сопровождается tracking доменом. NS3 прокладывает путь в 3'→5' направлении вдоль РНК, используя inchworm-like механизм, который состоит из приращений приблизительно в 11 пн. Удивительно, что это движение может быть подразделено на три АТФ-заивисимые субступени, которые вызывают храповидное перемещение tracking домена вдоль tracking нити (используя шаг примерно в 3.6 пн/АТФ), перемещаясь ещё ближе к ведущему домену, Как только tracking домен сталкивается с ведущим доменом, то forward домен завершает цикл в ступеньку длиной приблизительно 11 пн. Итак, SF1 и SF2 транслоказы, по-видимому, обладают общим inchworm-like механизмом, но могут отличаться количеством пар нуклеотидов, перешагиваемых за один гидролиз АТФ и/или количеством tracking субступеней, приходящихся на каждый цикл транслокации. Затем мы применили эти принципы к транслокации ДНК на нуклеосомы.

The wave-ratchet-wave model

Здесь мы применим данные и принципы, которые обсуждались выше, чтобы создать модель SWI/SNF и ISWI ремодельеров. Имеется не единственный способ, с помощью которого могут разрываться контакты гистон-ДНК (Box 1), и мы отметим, что транслокация ДНК была протестирована не для всех ремодельеров или всех членов семейств SWI/SNF и ISWI.

SWI/SNF и ISWI ремодельеры. как предполагается, обладают 4 общими свойствами (Fig. 4): во-первых, их связывание с нуклеосомой происходит в определенной позиции; во-вторых, АТФ-зависимое конформационное изменение в ремодельеров, которое инициируется с помощью torsion/forward субдоменов и которое разрывает проксимальные контакты гистон-ДНК, создает ДНК волну на поверхности октамера; в-третьих, перемещение ДНК волны посредством tracking субдомена, который располагается вблизи диады, заставляет осуществлять направленное движение ДНК по типу, аналогичному с направленным храповиком; и, в-четвертых, распространение ДНК волны вокруг нуклеосомы с помощью one-dimensional diffusion. Однако, SWI/SNF и ISWI ремодельеры, как предполагается, отличаются по своей регуляции этих ступеней, что может давать в результате уникальные продукты ремоделирования.

Applying the model to SWI/SNF. Сначала мы приложили модель к SWI/SNF (Fig. 4a), который соединяется с сердцевиной нуклеосомы и использует её транслокационный домен (который состоит из torsion и tracking субдоменов), чтобы затронуть ДНК приблизительно на расстоянии 2-х витков от нуклеосомной диады. Мы подчеркиваем, что tracking субдомен остается фиксированным в этом положении на гистоновом октамере, с ДНК движущиеся через него во время транслокации - т.е., inchworming от фиксированной позиции. Затем торсионный субдомен подвергается конформационному изменению, которое тянет с скручивает ДНК. Доказательства торсионных стрессов впервые были получены в лаб. Owen-Hughes и Peterson^63,64. Мы отметили, что торсионные стрессы являются интегральным компонентом предполагаемого механизма транслокации ДНК, т.к. транслокация спирального субстрата создает скручивание (torsion). Этот тянущий и скручивающий компонент вызывает временный разрыв контактов гистон-ДНК между этим сайтом и проксимальным сайтом вхождения в нуклеосому, это оттаскивает ДНК от линкера (Box 2). Этот разрыв сопровождается быстрым реформированием этого движения с помощью торсионного домена, обеспечивая tracking домен ДНК волной - сегмент ДНК, который длиннее, чем обычно аккомодированный между двумя контактами гистон-ДНК и который недокручен по сравнению со стандартной B-form DNA. В принципе, минимальная длина волны ДНК является длиной ДНК, которая транслоцируется в один раунд гидролиза АТФ (размер шага). Эта длина неизвестна для ремодельеров; однако, длина из 1-2 пар оснований согласуется с размером шага для PcrA, почти равна длине субступени, используемой NS3 и согласуется с tracking потребностью, которая наблюдается для RSC^50,61. Это действие создает ДНК волну на поверхности нуклеосомы в щели между торсионным и tracking субдоменами. Т.к. tracking субдомен предназначен для движения вдоль tracking нити, то этот сегмент ДНК проходит через него в одном направлении 3'→5'

Это действие помещает волну на нити ДНК на противоположную сторону translocase домена, который формирует волну ДНК, которая и недоскручена и более длинная, чем обычно укладывается внутри стандартного контакта гистон-ДНК. В принципе волна на 1 пн д. содержать достаточно энергии, чтобы растягивать и разрывать проксимальный контакт гистон-ДНК. Однако, дальнейшие раунды гидролиза АТФ могут быть использованы для создания волн более значительных размеров и соответственно с более высокой энергией, чтобы гарантировать распространение волны. Т.к. контакты гистон-ДНК обладают сходной потенциальной энергией, то волна может затем распространяться за счет одномерной диффузии, с разрыванием контактов гистон-ДНК на ведущем крае волны и восстановлением их на ведомом крае. Хотя такие волны могут в принципе двигаться в любом направлении, но tracking домен (который функционирует как молекулярный храповик) предупреждает движение назад. Расположение храповика в этой позиции может помочь в улучшении эффективности движения волны через область диады, где контакты гистон-ДНК самые сильные. Вследствие их прохождения через диаду волна затем может распространяться вокруг нуклеосомы за счет одномерной диффузии к линкеру, чтобы обеспечить развязку (resolution). В конце цикла торсионный домен восстанавливает свою инициальную расширенную конформацию, приводя в результате к net трансляционному движению октамера. Мы назвали эту спекулятивную модель 'wave-ratchet-wave': волна ДНК генерируется втягиванием ДНК в нуклеосому, затем она проходит через однонаправленный храповик вблизи диады и распространяется к дистальному линкеру с помощью диффузии.

Applying the model to ISWI. В принципе сходный механический стереотип может быть использован ISWI для скольжения нуклеосом, но с самостоятельным способом регуляции, чтобы объяснить его уникальные функции in vitro и in vivo⁶⁵ (Fig. 4b). ISWI обладает уникальным SLIDE доменом вблизи его С конца, который взаимодействует с линкерной ДНК в сайте при входе в нуклеосому^28,56. Связывание ISWI ремодельера ACF с нуклеосомой (в отсутствие АТФ), как известно, нарушает контакты гистон-ДНК вблизи места вхождения в нуклеосому (Fig. 4b, top left); это соединение не вызывает скольжения, но энергия связывания может использоваться частично, чтобы нарушить контакты гистон-ДНК в этой области⁵⁴. Интересно, что после связывания АТФ, ISWI подвергается существенному конформационному изменению⁶⁶, и мы предполагаем, что это может приводить к движению С-терминальной области по типу движения, который сходен с плечом рычага, что приводит к полному разрушению контактов гистон-ДНК в месте вхождения в нуклеосому, чтобы обеспечить инициальную волну ДНК.

Важная работа многих лабораторий по ISWI и SWI/SNF ремодельерам внесла вклад в это представление о волне ДНК внутри нуклеосомы^{7,50,52-55, 59,67}. Это конформационное изменение может быть вызвано с помощью и связано с тягой ДНК с помощью торсионного домена на внутреннем сайте вблизи диады, что предоставляет слаженный механизм для втягивания ДНК в нуклеосому (Fig. 4b). Мы отмечаем, что SWI/SNF энзимы может быть не нужны для увеличенного плеча рычага, чтобы разрывать проксимальные контакты гистон-ДНК, т.к. SWI/SNF комплекс генерирует более высокие уровни торсионных сил, чем это делает ISWI комплекс⁶⁴. В отличие от SWI/SNF, ISWI ремодельеры нуждаются в ДНК линкерах для полной АТФase активности⁹, это указывает на то, что C-терминальное плечо рычага может активировать АТФase, если оно связывает ДНК линкер. Это может объяснить, почему ISWI не генерирует нуклеосомный продукт с 50 пн ДНК, упрятанной в нуклеосоме: линкер ДНК регулирует ISWI АТФase/translocase активность, но не SWI/SNF, это предупреждает ISWI от транслокации свободных концов ДНК вне границ сайта вхождения в нуклеосому. Напротив, т.к. SWI/SNF энзимы не регулируются с помощью присутствия линкера ДНК, они могут продолжать транслоцировать ДНК вплоть до тех пор, пока свободный конец не достигнет translocase домена, который располагается приблизительно 50 п.н. внутрь нуклеосомы.

Способность линкера ДНК регулировать активность транслокации ISWI обеспечивает механизм для упорядоченного и processive распределения в пространстве нуклеосом во время сборки хроматина⁶⁸. Т.к. нуклеосома подвергается скольжению, то она приближается к соседней нуклеосоме. Как полагают Bartholomew с коллегами линкер д. укорачиваться вплоть до тех пор, пока соседняя нуклеосома ограничивает способность ISWI или ассоциированных с ней субъединиц связывать линкерную ДНК, которая д. останавливать транслокацию и перемещать соседнюю нуклеосому на то же самое фиксированное в каждый момент времени⁵⁶. Это может помочь в создании соотв., тонкого расположение в пространстве нуклеосом, видимого в компактных регионах молчащего хроматина.

Удивительно, что ремодельеры ISWI обладают др. способом регуляции; ISWI АТФase активность нуждается в присутствии хвоста гистона H4 (остатки 16-19) в отсутствии ацетилирования гистона H4 по остатку K16 (H4K16)^57,58. Т.к. ацетилирование H4K16 коррелирует с активной транскрипцией, то это может негативно регулировать ISWI ассоциацию и/или активность транскрипционно активных регионов и , следовательно, в основном ограничена nucleosome-spacing/chromatin-compaction активностью ISWI в не ацетилированном хроматине. Исследования dosage compensation у мух предоставили интересное биологическое применение этих принципов. Только Х хромосома самцов гиперацетилирована по H4K16, тогда как две Х хромосомы самок обнаруживают нормальные уровни ацетилирования. Эта модификация исключает ISWI из Х хромосомы самцов, который обеспечивает компакцию хроматина и может способствовать в среднем двухкратному увеличению экспрессии генов с этой хромосомы, что и предопределяет дозовую компенсацию^57,58,69. Итак, комплексы ISWI также могут подтверждать модель транслокации ДНК, которая использует 'wave-ratchet-wave' принцип со связывание и/или активностью ISWI, также регулируемых с помощью линкерной ДНК и отсутствия ацетилирования гистона H4K16.

Nucleosome remodelling - catch the wave? Одним из важных нерешенных вопросов является, могут ли ремодельеры превращать нуклеосомную ДНК в доступную для регуляторных факторов путем соскальзывания ДНК на линкер⁵⁰, с помощью временного доступа к ДНК на поверхности октамера^53,70или с помощью комбинации из двух (Box 1). Хотя такие способы нельзя исключить, определенные физические параметры могут быть удовлетворительными для доступа ДНК на октамере, включая ДНК волну достаточного размера, чтобы выпятить весь сайт связывания ДНК. Сегодня размеры волн во время ремоделирования не известны и нуждаются в тестировании, хотя волна в 1 пн была определена на нуклеосомной поврехности с помощью структурных исследований^71,72. Более того, если крупные волны могут быть аккомодированы на поверхности нуклеосом, то эти волны д. персистировать на нуклеосомной поверхности в течение достаточного промежутка времени, чтобы сделать возможным связывание факторов. В принципе. распространение волны д.б. исключительно быстрым в смысле одно-мерной диффузии. Однако, ремодельеры могут в принципе обладать способностью мешать распространению волн на поверхность нуклеосом, что дает достаточное время транскрипционным факторам для достижения своих сайтов связывания.

Этот принцип сдерживания волны ДНК на поверхность нуклеосом д. также использоваться и факторами, реконструирующими нуклеосомы. SWR1 обнаруживает удивительную способность удалять H2A-H2B димеры из нуклеосом и замещать их димерами Htz1-H2B, создавая вариант нуклеосом, которые содержат гистоновый H2A вариант Htz1 (Refs 14, 17, 18) (Fig. 1, bottom row). Модель wave-ratchet-wave требует как конформационного изменения в ремодельерах, так и инициального события транслокации ДНК, которое разрывает 4 наружных контакта гистон-ДНК, которые нуждаются в H2A-H2B. В принципе разрыв контактов гистон-ДНК д.б. ограничен этой областью и способствует замещению димеров H2A-H2B на Htz1-H2B вариант димеров.

Более того, способность ремодельеров создавать и ограничивать волны может способствовать ремодельерам разрывать достаточное количество контактов гистон-ДНК, чтобы отторгнуть октамер от ДНК^73,74. Многие промоторы являются слегка дефицитными по гистонам и становятся ещё более дефицитными после активации, это открывает возможность, что отторжение гистонов помогает регулировать транскрипцию, обеспечивая доступ к промотору⁷⁵. В согласии с этим принципом то, что ремоделдьеры SWI/SNF могут переносить нуклеосомы с одного участка ДНК на др., это напоминает тип отторжения^76,77. Учитывая его важную роль в регуляции транскрипции, можно лучше понять механизм ejection/transfer нуклеосом.

Conclusions and future directions

Here, we have explored the dynamic properties of nucleosomes and summarized evidence from many laboratories that chromatin-remodelling АТФases function as DNA translocases. On the basis of these studies, we presented a basic model for nucleosome remodelling, termed wave–ratchet–wave: a DNA wave is generated on the nucleosome surface by pulling DNA from the linker into the nucleosome, passing the DNA wave through a directional ratchet located near the nucleosomal dyad and then propagating the DNA wave to the distal linker by diffusion. As different chromatin remodellers affect nucleosome structure in different ways, we considered how this basic model might be adapted to accommodate the different products that are generated by SWI/SNF and ISWI remodellers by imposing unique regulatory factors on each complex. This basic model includes features that are not prominent in previous models, including the principle that the catalytic АТФase binds at a site near the nucleosomal dyad and initiates directional translocation from that location. Furthermore, the model can accommodate, at least in principle, a wide range of observed remodelling activities that include sliding, transcription-factor access, nucleosome ejection and nucleosome restructuring. Undoubtedly, more information will be gained with regard to the mechanism of individual remodellers, and it will be of interest to determine whether these new insights support this basic model or whether entirely new models need to be constructed to better explain the observations.

This concept of remodellers as octamer-bound directional DNA translocases is currently being tested through various approaches in many laboratories. For example, proteins that are associated with the АТФase subunit, as well as determinants on the nucleosome, are being examined for their effects on DNA-translocation properties. In addition, single-molecule approaches will be important for examining parameters such as translocation force, speed and processivity on nucleosomes. Furthermore, structural studies of remodellers will be invaluable for understanding the translocation mechanism and its regulation. In the coming years, biophysical, biochemical and molecular approaches will all contribute to our understanding of these remarkable machines.

Chromatin remodelling: the industrial revolution of DNA around histonesAnjanabha Saha, Jacqueline Wittmeyer and Bradley R. Cairns Nature Reviews Molecular Cell Biology 7, No 6, 437-447 (June 2006) | doi:10.1038/nrm1945

Chromatin remodelling: the industrial revolution of DNA around histones
Anjanabha Saha, Jacqueline Wittmeyer and Bradley R. Cairns
Nature Reviews Molecular Cell Biology 7, No 6, 437-447 (June 2006) | doi:10.1038/nrm1945