Ombygging av kromatin - Chromatin remodeling

Kromatin -ombygging er den dynamiske modifikasjonen av kromatinarkitektur for å gi tilgang til kondensert genomisk DNA til de regulatoriske transkripsjonsmaskinproteinene , og dermed kontrollere genuttrykk. Slik ombygging utføres hovedsakelig ved 1) kovalente histonmodifikasjoner av spesifikke enzymer, f.eks. Histonacetyltransferaser (HAT), deacetylaser, metyltransferaser og kinaser, og 2) ATP-avhengige kromatin-ombyggingskomplekser som enten beveger seg, løser ut eller omstrukturerer nukleosomer. I tillegg til aktivt å regulere genuttrykk, gir dynamisk ombygging av kromatin en epigenetisk regulatorisk rolle i flere viktige biologiske prosesser, eggceller DNA -replikasjon og reparasjon; apoptose; kromosomsegregering samt utvikling og pluripotens. Aberrasjoner i kromatin -remodelleringsproteiner er funnet å være assosiert med menneskelige sykdommer, inkludert kreft. Målretting av kromatin -ombyggingsveier utvikler seg for tiden som en viktig terapeutisk strategi for behandling av flere kreftformer.

Oversikt

Kromatinorganisasjon: Den grunnleggende enheten for kromatinorganisasjon er nukleosomet, som består av 147 bp DNA pakket rundt en kjerne av histonproteiner. Nivået på nukleosomal emballasje kan ha store konsekvenser for alle DNA-medierte prosesser, inkludert genregulering. Euchromatin (løs eller åpen kromatin) struktur er tillatt for transkripsjon, mens heterochromatin (stram eller lukket kromatin) er mer kompakt og ildfast for faktorer som må få tilgang til DNA -malen. Nukleosomposisjonering og kromatinkomprimering kan påvirkes av et bredt spekter av prosesser, inkludert modifikasjon av både histoner og DNA- og ATP-avhengige kromatin-ombyggingskomplekser.

Den transkripsjonelle reguleringen av genomet kontrolleres hovedsakelig på pre -initieringsstadiet ved å binde kjernetranskripsjonelle maskinproteiner (nemlig RNA -polymerase, transkripsjonsfaktorer og aktivatorer og repressorer) til kjernepromotorsekvensen på DNA -kodingsområdet. Imidlertid er DNA tett pakket i kjernen ved hjelp av emballasjeproteiner, hovedsakelig histonproteiner for å danne gjentakende enheter av nukleosomer som bunker seg sammen for å danne kondensert kromatinstruktur. En slik kondensert struktur lukker mange DNA -regulerende regioner, og lar dem ikke samhandle med transkripsjonelle maskinproteiner og regulere genuttrykk. For å overvinne dette problemet og gi dynamisk tilgang til kondensert DNA, endrer en prosess som kalles kromatin -ombygging nukleosomarkitekturen for å avsløre eller skjule områder av DNA for transkripsjonell regulering.

Per definisjon er kromatin-remodellering den enzymassisterte prosessen for å lette tilgangen til nukleosomalt DNA ved å remodellere strukturen, sammensetningen og posisjoneringen av nukleosomer.

Klassifisering

Tilgang til nukleosomalt DNA styres av to hovedklasser av proteinkomplekser:

  1. Kovalente histonmodifiserende komplekser.
  2. ATP-avhengige ombyggingskomplekser for kromatin.

Kovalente histonmodifiserende komplekser

Spesifikke proteinkomplekser, kjent som histonmodifiserende komplekser, katalyserer tilsetning eller fjerning av forskjellige kjemiske elementer på histoner. Disse enzymatiske modifikasjonene inkluderer acetylering , metylering , fosforylering og ubiquitination og forekommer først og fremst ved N-terminale histonhaler. Slike modifikasjoner påvirker bindingsaffiniteten mellom histoner og DNA, og løsner eller strammer dermed kondensert DNA viklet rundt histoner, f.eks. Metylering av spesifikke lysinrester i H3 og H4 forårsaker ytterligere kondensering av DNA rundt histoner, og forhindrer derved binding av transkripsjonsfaktorer til DNA som fører til genrepresjon. Tvert imot, histonacetylering slapper av på kromatinkondensasjon og avslører DNA for TF -binding, noe som fører til økt genuttrykk.

Kjente modifikasjoner

Godt karakteriserte modifikasjoner av histoner inkluderer:

Både lysin- og argininrester er kjent for å være metylert. Metylerte lysiner er de best forståtte merkene av histonkoden, ettersom spesifikt metylert lysin matcher godt med genuttrykkstilstander. Metylering av lysiner H3K4 og H3K36 er korrelert med transkripsjonell aktivering mens demetylering av H3K4 er korrelert med demping av den genomiske regionen. Metylering av lysiner H3K9 og H3K27 er korrelert med transkripsjonell undertrykkelse. Spesielt er H3K9me3 sterkt korrelert med konstitutivt heterokromatin.

  • Acetylering - ved HAT (histonacetyltransferase); deacetylering - ved HDAC (histondeacetylase)

Acetylering har en tendens til å definere 'åpenhet' for kromatin, ettersom acetylerte histoner ikke kan pakke like godt sammen som deacetylerte histoner.

Imidlertid er det mange flere histonmodifikasjoner, og sensitive massespektrometri -tilnærminger har nylig utvidet katalogen sterkt.

Histone kode hypotese

Den histon-koden er en hypotese at transkripsjon av genetisk informasjon som er kodet i DNA blir delvis reguleres ved hjelp av kjemiske modifikasjoner for å histonproteinene, først og fremst på deres ustrukturerte ender. Sammen med lignende modifikasjoner som DNA -metylering er det en del av den epigenetiske koden .

Kumulative bevis tyder på at slik kode er skrevet av spesifikke enzymer som (for eksempel) kan metylere eller acetylere DNA ('forfattere'), fjernes av andre enzymer som har demetylase eller deacetylase -aktivitet ('viskelær'), og til slutt lett identifiseres av proteiner (' lesere ') som rekrutteres til slike histonmodifikasjoner og binder via spesifikke domener, f.eks. bromodomain, chromodomain. Disse trippel handlingene "skriving", "lesing" og "sletting" etablerer et gunstig lokalt miljø for transkripsjonell regulering, reparasjon av DNA-skader, etc.

Det kritiske konseptet med histonkodehypotesen er at histonmodifikasjonene tjener til å rekruttere andre proteiner ved spesifikk gjenkjenning av det modifiserte histonet via proteindomene spesialisert for slike formål, i stedet for bare ved å stabilisere eller destabilisere samspillet mellom histon og det underliggende DNA. Disse rekrutterte proteiner virker deretter for å endre kromatinstrukturen aktivt eller for å fremme transkripsjon.

Et veldig grunnleggende sammendrag av histonkoden for genuttrykkstatus er gitt nedenfor (histon -nomenklatur er beskrevet her ):

Type
endring 		Histon
H3K4 H3K9 H3K14 H3K27 H3K79 H4K20 H2BK5
mono- metylering aktivering aktivering aktivering aktivering aktivering aktivering
di-metylering undertrykkelse undertrykkelse aktivering
tri-metylering aktivering undertrykkelse undertrykkelse aktivering,
undertrykkelse 		undertrykkelse
acetylering aktivering aktivering

ATP-avhengig kromatin-ombygging

Se også: Nukleosom § ATP-avhengig nukleosom-ombygging

ATP-avhengige kromatin-ombyggingskomplekser regulerer genuttrykk ved enten å flytte, ta ut eller omstrukturere nukleosomer. Disse proteinkompleksene har et felles ATPase -domene og energi fra hydrolysen av ATP gjør at disse ombyggingskompleksene kan omplassere nukleosomer (ofte referert til som "nukleosomglidning") langs DNA, kaste ut eller montere histoner på/av DNA eller lette utveksling av histon varianter, og dermed skape nukleosomfrie regioner av DNA for genaktivering. Flere ombyggere har også DNA-translokasjonsaktivitet for å utføre spesifikke ombyggingsoppgaver.

Alle ATP-avhengige kromatin-ombyggingskomplekser har en underenhet av ATPase som tilhører SNF2-superfamilien til proteiner. I tilknytning til underenhetens identitet har to hovedgrupper blitt klassifisert for disse proteinene. Disse er kjent som SWI2/SNF2 -gruppen og imitasjon SWI (ISWI) -gruppen. Den tredje klassen av ATP-avhengige komplekser som nylig har blitt beskrevet inneholder en Snf2-lignende ATPase og demonstrerer også deacetylase-aktivitet.

Kjente komplekser for ombygging av kromatin

INO80 stabiliserer replikasjonsgafler og motvirker feillokalisering av H2A.Z

Det er minst fem familier av kromatin- ombyggere i eukaryoter: SWI/SNF , ISWI , NuRD /Mi-2/ CHD , INO80 og SWR1 med de to første ombyggerne som er veldig godt studert så langt, spesielt i gjærmodellen. Selv om alle ombyggere deler felles ATPase -domene, er deres funksjoner spesifikke basert på flere biologiske prosesser (DNA -reparasjon, apoptose, etc.). Dette skyldes det faktum at hvert remodelerkompleks har unike proteindomener ( Helicase , bromodomain , etc.) i deres katalytiske ATPase -region og også har forskjellige rekrutterte underenheter.

Spesifikke funksjoner

  • Flere in vitro-eksperimenter antyder at ISWI-ombyggere organiserer nukleosom i riktig buntform og skaper lik avstand mellom nukleosomer, mens SWI/SNF-ombyggere forstyrrer nukleosomer.
  • Det er vist at ombyggerne i ISWI-familien spiller sentrale roller i kromatinsamling etter DNA-replikasjon og vedlikehold av kromatinstrukturer av høyere orden.
  • INO80 og SWI/SNF-familiens ombyggere deltar i reparasjon av DNA-dobbeltstrengsbrudd (DSB) og nukleotid-eksisjonsreparasjon (NER) og spiller dermed en avgjørende rolle i TP53-mediert DNA-skaderespons.
  • NuRD/ Mi-2/ CHD- ombyggingskomplekser formidler primært transkripsjonell undertrykkelse i kjernen og er nødvendig for å opprettholde pluripotens av embryonale stamceller.

Betydning

Kromatin -ombyggingskomplekser i den dynamiske reguleringen av transkripsjon: I nærvær av acetylerte histoner (HAT -mediert) og fravær av metylase (HMT) -aktivitet, blir kromatin løst pakket. Ytterligere nukleosomposisjonering av kromatin-ombyggingskompleks, SWI/SNF åpner opp DNA-region hvor transkripsjonsmaskinproteiner, som RNA Pol II, transkripsjonsfaktorer og ko-aktivatorer binder seg for å slå på gentranskripsjon. I fravær av SWI/SNF kan nukleosomer ikke bevege seg lenger og forbli tett på linje med hverandre. Ytterligere metylering ved HMT og deacetylering av HDAC -proteiner kondenserer DNA rundt histoner og gjør dermed DNA utilgjengelig for binding av RNA Pol II og andre aktivatorer, noe som fører til gendemping.

I normale biologiske prosesser

Kromatin -ombygging spiller en sentral rolle i reguleringen av genuttrykk ved å gi transkripsjonsmaskinen dynamisk tilgang til et ellers tett pakket genom. Videre er nukleosombevegelse av kromatin-ombyggere avgjørende for flere viktige biologiske prosesser, inkludert montering og segregering av kromosomer, DNA-replikasjon og reparasjon, embryonisk utvikling og pluripotens og cellesyklusprogresjon. Deregulering av kromatin-ombygging forårsaker tap av transkripsjonsregulering ved disse kritiske kontrollpunktene som kreves for riktige mobilfunksjoner, og forårsaker dermed forskjellige sykdomssyndromer, inkludert kreft.

Svar på DNA -skade

Kromatin -avslapning er en av de tidligste cellulære responsene på DNA -skade. Relaksasjonen ser ut til å være initiert av PARP1 , hvis akkumulering ved DNA -skade er halvfullt 1,6 sekunder etter at DNA -skade oppstår. Dette blir raskt etterfulgt av akkumulering av kromatin-remodeler Alc1 , som har et ADP-ribose- bindende domene, slik at det raskt kan tiltrekkes av produktet av PARP1. Maksimal rekruttering av Alc1 skjer innen 10 sekunder etter DNA -skade. Omtrent halvparten av maksimal kromatinrelaksasjon, antagelig på grunn av virkningen av Alc1, skjer med 10 sekunder. PARP1-handling på stedet for en dobbeltstrenget pause muliggjør rekruttering av de to DNA-reparasjonsenzymer MRE11 og NBS1 . Halv maksimal rekruttering av disse to DNA -reparasjonsenzymer tar 13 sekunder for MRE11 og 28 sekunder for NBS1.

En annen prosess for kromatin-avslapning, etter dannelse av et dobbelt-strengs brudd i DNA, bruker γH2AX, den fosforylerte formen av H2AX- proteinet. Den histon- varianten H2AX utgjør omtrent 10% av de H2A histoner i humant kromatin. γH2AX (fosforylert på serin 139 av H2AX) ble oppdaget 20 sekunder etter bestråling av celler (med DNA dobbeltstrenget brudddannelse), og halv maksimal akkumulering av γH2AX skjedde på ett minutt. Omfanget av kromatin med fosforylerte γH2AX er omtrent to millioner basepar på stedet for en DNA-dobbeltstrengsbrudd.

γH2AX forårsaker ikke i seg selv kromatindekondensasjon, men i løpet av sekunder etter bestråling fester proteinet "Mediator of the DNA damage checkpoint 1" ( MDC1 ) spesifikt til γH2AX. Dette ledsages av samtidig akkumulering av RNF8 -protein og DNA -reparasjonsproteinet NBS1 som binder seg til MDC1 når MDC1 fester seg til γH2AX. RNF8 formidler omfattende kromatindekondensasjon, gjennom den påfølgende interaksjonen med CHD4 -protein , en komponent i nukleosom -ombyggingen og deacetylasekomplekset NuRD . CHD4-akkumulering på stedet for dobbeltstrengspausen er rask, med halv maksimal akkumulering som skjer 40 sekunder etter bestråling.

Den raske innledende kromatin -avslapningen ved DNA -skade (med rask initiering av DNA -reparasjon) etterfølges av en langsom rekondensering, med kromatin som gjenoppretter en komprimeringstilstand nær dens forutdannede nivå på omtrent 20 minutter.

Kreft

Kromatin-ombygging gir finjustering ved viktige cellevekst- og delingstrinn, som cellesyklusprogresjon, DNA-reparasjon og kromosomsegregering, og utøver derfor tumorundertrykkende funksjon. Mutasjoner i slike kromatin-ombyggere og deregulerte kovalente histonmodifikasjoner favoriserer potensielt selvforsyning i cellevekst og rømmer fra vekstregulerende cellesignaler-to viktige kjennetegn på kreft .

  • Inaktive mutasjoner i SMARCB1 , tidligere kjent som hSNF5 / INI1 og en del av den menneskelige SWI / SNF ombygging kompleks har blitt funnet i stort antall rhabdoid svulster , vanligvis påvirker pediatriske populasjonen. Lignende mutasjoner er også tilstede i andre kreftformer i barndommen, for eksempel choroid plexus carcinoma , medulloblastoma og i noen akutte leukemier. Videre støtter mus knock-out-studier sterkt SMARCB1 som et svulstundertrykkende protein. Siden den opprinnelige observasjonen av SMARCB1 -mutasjoner i rabdoid -svulster, har flere subenheter av det menneskelige SWI/SNF -kromatin -ombyggingskomplekset blitt funnet mutert i et bredt spekter av neoplasmer.
  • Den SWI / SNF ATPase BRG1 (eller SMARCA4 ) er den hyppigst muterte kromatin remodeling ATPase i kreft. Mutasjoner i dette genet ble først gjenkjent i humane kreftcellelinjer avledet fra binyrene og lungen. Ved kreft viser mutasjoner i BRG1 en uvanlig høy preferanse for missense -mutasjoner som er rettet mot ATPase -domenet. Mutasjoner er beriket med sterkt konserverte ATPase-sekvenser, som ligger på viktige funksjonelle overflater som ATP-lommen eller DNA-bindende overflate. Disse mutasjonene virker på en genetisk dominerende måte for å endre kromatinregulerende funksjon hos forsterkere og promotorer.
  • PML-RAR fusjonsprotein ved akutt myeloid leukemi rekrutterer histondeacetylaser. Dette fører til undertrykkelse av genet som er ansvarlig for at myelocytter skal differensiere, noe som fører til leukemi.
  • Tumorsuppressor Rb -protein fungerer ved rekruttering av menneskelige homologer til SWI/SNF -enzymene BRG1, histondeacetylase og DNA -metyltransferase. Mutasjoner i BRG1 er rapportert i flere kreftformer som forårsaker tap av tumorundertrykkende virkning av Rb.
  • Nylige rapporter indikerer DNA -hypermetylering i promotorregionen til store tumorsuppressorgener i flere kreftformer. Selv om få mutasjoner er rapportert i histonmetyltransferaser ennå, er det rapportert om korrelasjon mellom DNA-hypermetylering og histon H3 lysin-9-metylering i flere kreftformer, hovedsakelig i kolorektal og brystkreft.
  • Mutasjoner i Histone Acetyl Transferases (HAT) p300 (missense og trunkeringstype) rapporteres hyppigst i kolorektale, bukspyttkjertel-, bryst- og magekreft. Tap av heterozygositet i kodingsområdet til p300 (kromosom 22q13) er tilstede i et stort antall glioblastomer.
  • Videre har HATer en ulik rolle som transkripsjonsfaktorer ved siden av å ha histonacetylaseaktivitet, f.eks. HAT -underenhet, hADA3 kan fungere som et adapterprotein som binder transkripsjonsfaktorer med andre HAT -komplekser. I fravær av hADA3 er TP53-transkripsjonell aktivitet signifikant redusert, noe som tyder på at hADA3 spiller en rolle i aktivering av TP53-funksjon som respons på DNA-skade.
  • På samme måte har TRRAP, den menneskelige homologen til gjær Tra1, vist seg å direkte samhandle med c -Myc og E2F1 - kjente onkoproteiner.

Kreftgenomikk

Raskt fremskritt innen kreftgenomikk og ChIP-chip med høy gjennomstrømning , ChIP-Seq og Bisulfite-sekvenseringsmetoder gir mer innsikt i hvilken rolle kromatin-ombygging spiller i transkripsjonsregulering og rolle i kreft.

Terapeutisk intervensjon

Epigenetisk ustabilitet forårsaket av deregulering ved ombygning av kromatin studeres ved flere kreftformer, inkludert brystkreft, tykktarmskreft, kreft i bukspyttkjertelen. Slik ustabilitet forårsaker i stor grad utbredt demping av gener med primær innvirkning på svulstundertrykkende gener. Derfor blir strategier nå prøvd for å overvinne epigenetisk demping med synergistisk kombinasjon av HDAC-hemmere eller HDI og DNA-demetyleringsmidler . HDI brukes hovedsakelig som tilleggsbehandling ved flere krefttyper. HDAC-inhibitorer kan indusere p21 (WAF1) ekspresjon, en regulator av p53 's tumor suppressoractivity . HDAC er involvert i veien der retinoblastomproteinet (pRb) undertrykker celleproliferasjon . Østrogen er veletablert som en mitogen faktor som er involvert i tumorigenese og progresjon av brystkreft via bindingen til østrogenreseptoren alfa (ERα). Nylige data indikerer at kromatininaktivering formidlet av HDAC og DNA -metylering er en kritisk komponent i ERα -demping i humane brystkreftceller.

Nåværende kandidater for nye legemiddelmål er Histone Lysine Methyltransferases (KMT) og Protein Arginine Methyltransferases (PRMT).

Andre sykdomssyndromer

  • ATRX-syndrom (α-thalassemia X-linked mental retardasjon) og α-thalassemia myelodysplasia syndrom er forårsaket av mutasjoner i ATRX , en SNF2-relatert ATPase med PHD.
  • CHARGE syndrom , en autosomal dominerende lidelse, har nylig blitt knyttet til haploinsuffisiens av CHD7 , som koder for CHD -familien ATPase CHD7.

Senescence

Kromatin arkitektonisk ombygging er involvert i prosessen med cellulær aldring , som er relatert til, men likevel forskjellig fra, organismerisk aldring . Replikativ cellulær senescens refererer til en permanent cellesyklusstans der postmitotiske celler fortsetter å eksistere som metabolsk aktive celler, men ikke klarer å spre seg. Aldring kan oppstå på grunn av aldersrelatert nedbrytning , telomerutslett , progerier , pre-maligniteter og andre former for skade eller sykdom. Senescentceller gjennomgår forskjellige repressive fenotypiske endringer, potensielt for å forhindre spredning av skadede eller kreftceller, med modifisert kromatinorganisasjon , svingninger i remodelerens overflod og endringer i epigenetiske modifikasjoner. Senescentceller gjennomgår kromatinlandskapsmodifikasjoner ettersom konstitutivt heterokromatin migrerer til sentrum av kjernen og forskyver eukromatin og fakultativ heterochromatin til regioner i kanten av kjernen. Dette forstyrrer kromatin- lamin- interaksjoner og inverteringer av mønsteret som vanligvis sees i en mitotisk aktiv celle. Individuelle Lamin-assosierte domener (LADs) og Topologically Associating Domains (TADs) blir forstyrret av denne migrasjonen som kan påvirke cis-interaksjoner på tvers av genomet. I tillegg er det et generelt mønster av kanonisk histon tap, særlig i form av nukleosom histoner H3 og H4 og linker-histon H1. Histonvarianter med to eksoner blir oppregulert i senescentceller for å produsere modifisert nukleosomsamling som bidrar til kromatintillatelse til senescerende endringer. Selv om transkripsjon av varianthistonproteiner kan være forhøyet, uttrykkes ikke kanoniske histonproteiner ettersom de bare blir laget i S-fasen av cellesyklusen og senescerende celler er post-mitotiske. Under alderdom kan deler av kromosomer eksporteres fra kjernen for lysosomal nedbrytning, noe som resulterer i større organisatorisk uorden og forstyrrelse av kromatininteraksjoner.

Kromatin remodeler overflod kan være implisert i cellulær aldring som knockdown eller knockout av ATP-avhengige remodelers som NuRD, ACF1 og SWI/SNP kan resultere i DNA-skade og senescent fenotyper i gjær, C. elegans, mus og menneskelige cellekulturer. ACF1 og NuRD er nedregulert i senescerende celler, noe som antyder at kromatin -ombygging er avgjørende for å opprettholde en mitotisk fenotype. Gener som er involvert i signalering for eldring, kan dempes ved kromatinbekreftelse og polycomb -undertrykkende komplekser som vist i PRC1/PCR2 -demping av p16 . Spesifikk remodelerutarmning resulterer i aktivering av proliferative gener gjennom manglende evne til å opprettholde lyddemping. Noen ombyggere virker på forsterkningsregioner av gener i stedet for de spesifikke stedene for å forhindre gjeninnføring i cellesyklusen ved å danne regioner med tett heterokromatin rundt regulatoriske regioner.

Senescentceller gjennomgår omfattende svingninger i epigenetiske modifikasjoner i spesifikke kromatinregioner sammenlignet med mitotiske celler. Menneskelige og murine celler som gjennomgår replikativ aldring opplever en generell global nedgang i metylering; spesifikke lokaliteter kan imidlertid avvike fra den generelle trenden. Spesifikke kromatinregioner, spesielt de rundt promotorer eller forsterkere av proliferative loci, kan oppvise forhøyede metyleringstilstander med en generell ubalanse mellom repressive og aktiverende histonmodifikasjoner. Proliferative gener kan vise økninger i det undertrykkende merket H3K27me3 mens gener som er involvert i demping eller avvikende histonprodukter kan bli beriket med den aktiverende modifikasjonen H3K4me3 . I tillegg kan oppregulering av histondeacetylaser, for eksempel medlemmer av sirtuin -familien, forsinke aldring ved å fjerne acetylgrupper som bidrar til større kromatintilgjengelighet. Generelt tap av metylering, kombinert med tilsetning av acetylgrupper resulterer i en mer tilgjengelig kromatinkonformasjon med en tilbøyelighet til uorganisering sammenlignet med mitotisk aktive celler. Generelt tap av histoner utelukker tillegg av histonmodifikasjoner og bidrar til endringer i berikelse i noen kromatinregioner under aldring.

Se også

Referanser

Videre lesning

Eksterne linker