Упаковка хроматина определяется взаимодействиями подвижных гистоновых хвостов

Исследователи из Института Хубрехта в Утрехте (Нидерланды) и Института молекулярной биомедицины Общества Макса Планка в Мюнстере (Германия) с помощью компьютерного моделирования исследовали роль хвостов гистонов H3 и H2A в структурной перестройке нуклеосом. 

Эукариотическая ДНК организована в хроматин для укорачивания ее линейных размеров (длина ДНК человеческого генома — около двух метров). Структура хроматина неоднородна; от плотности и паттерна его упаковки зависит, какие участки доступны для белков — факторов транскрипции, следовательно, какие гены экспрессируются в данный момент времени.

Хроматин состоит из элементарных повторяющихся единиц — нуклеосом. Каждая из них представляет собой октамер из белков гистонов (по два димера H2A-H2B и H3-H4), обвитый ДНК примерно 1,7 раз; участок ДНК между нуклеосомами называется линкерной ДНК (L-DNA). Компактная упаковка препятствует взаимодействию ДНК с различными белковыми факторами и, следовательно, экспрессии генов.

Нуклеосомы способны претерпевать конформационные изменения. Например, для них характерно «дыхание» — частичное отсоединение концевых участков ДНК от гистонов. Динамика хроматина модулируется внутри- и межнуклеосомными движениями и посттрансляционными химическими модификациями «хвостов» гистонов, то есть концевых участков их молекул.

Конформационные изменения в хроматине исследуются с помощью компьютерного моделирования (методов молекулярной динамики). В моделях атомам и молекулам позволяют взаимодействовать в течение фиксированного периода времени, и их траектории определяют путем численного решения уравнений движения Ньютона для системы взаимодействующих частиц. Несмотря на ясность и простоту идеи, метод сопряжен с большими теоретическими и техническими трудностями, поэтому до сих пор исследования in silico проводили на упрощенных моделях нуклеосом — например, с удалением подвижных гистоновых хвостов . Такие модели давали лишь частичное понимание динамики хроматина и взаимодействия ДНК с факторами транскрипции.

Авторы новой работы исследовали структурную динамику хроматина более детально, произведя полноатомное моделирование нуклеосом человека и дрозофилы в явном растворителе и изучая вклад подвижных гистоновых хвостов.

В своей предыдущей работе авторы изучали взаимодействия с нуклеосомой фактора транскрипции Oct4 — главного регулятора и индуктора плюрипотентности стволовых клеток. Две нативные последовательности позиционирования нуклеосом, связывающиеся с Oct4, были обнаружены в энхансерах генов ESRRB (регулирует плюрипотентность клеток) и LIN28B (РНК-связывающий белок, регулирует развитие и поддержание плюрипотентного состояния клеток). Ученые сравнили динамику двух нативных нуклеосом с динамикой искусственной нуклеосомы, локализованной на последовательности Widom 601, и построили модели этих двух геномных нуклеосом, отслеживая доступность известных сайтов связывания Oct4.

В следующей работе ученые продвинулись дальше, продемонстрировав, как взаимодействия между гистоновыми хвостами H3 и H2A контролируют «дыхание» нуклеосом. Они сгенерировали и изучили 24 микросекундных симуляций для последовательностей Widom 601, ESRRB или LIN28B, взаимодействующих с гистонами дрозофилы или человека. Были выполнены симуляции с участием «бесхвостых» нуклеосом и нуклеосом с определенными конфигурациями хвостов и участков ДНК.

Результаты моделирования показали, что переходы между закрытыми и открытыми конформациями нуклеосом зависят от смещения и изменения компактности гистоновых хвостов. Они в основном держали нуклеосомы в закрытой конформации, но позволяли существовать короткоживущим переходам с открытой конформацией. Однако широко открытые конформации в геномных нуклеосомах наблюдались только тогда, когда хвосты находились в конфигурациях с минимальным взаимодействием или отсутствием взаимодействия с внешними витками ДНК. Удаление хвостов увеличило амплитуду дыхания нуклеосом, но не изменило зависимый от последовательности паттерн их движений.

Эпигенетические механизмы регуляции, связанные с нуклеосомами, играют важную роль в развитии многих наследственных заболеваний. Авторы также отмечают, что молекулярное моделирование можно использовать для скрининга конфигураций транскрипционных факторов.