Nukleosomy

1

Plan wykładu:

Budowa chromatyny - nukleosomy

Wpływ nukleosomów na replikację i transkrypcję

Metody pozwalające na wyznaczanie miejsc wiązania nukleosomów

Charakterystyka obsadzenia nukleosomów w genomach

eukariotycznych

Struktury chromatyny wyższego rzędu

2

http://www.accessexcellence.org/AB/GG/nucleosome.html 3

Preparaty mikroskopii elektronowej – lata 1973-1975

•http://cellbio.utmb.edu/cellbio/nucleus2.htm

4

Zmiany struktury chromatyny

Zmiany struktury chromatyny są zazwyczaj wprowadzane w

ściśle uporządkowany sposób i stanowią kluczowy element

regulacji procesów przebiegających w jądrze komórkowym:

transkrypcji, replikacji, rekombinacji, naprawy DNA

prawidłowy przebieg tych procesów zwykle wymaga

rozluźnienia struktur chromatynowych:

5

Nukleosom zbudowany jest z rdzenia białkowego, z około

147 bp DNA owiniętego wokół rdzenia oraz z 50 bp DNA

łącznikowego

Rdzeń składa się z dwóch kopii każdego z histonów

H2A, H2B, H3 i H4

Poza rdzeniem nukleosomu dołączony jest histon H1

DNA

histon H1

histon H2A

histon H2B

histon H3

histon H4

http://fermat-2.cer.jhu.edu/~as410610/lecture_pdf/What_is_the_organization_of_a_eukaryote_.PDF

Struktura Krystaliczna Nukleosomu

Luger K, Mader AW, Richmond RK, Sargent DF, Richmond TJ. Nature 1997 Sep18;389(6648):251-60 7

Nukleosomy i replikacja

8 Groth et al., Cell 128, 721–733, February 23, 2007

Nukleosomy i transkrypcja

9

Transkrypcja

• Kluczowym etapem regulacyjnym większości genów jest transkrypcja

• Regulacja z reguły na poziomie inicjacji transkrypcji

• Czynniki cis – sekwencje regulatorowe w obrębie promotorów i enhancerów (wzmacniaczy)

• Czynniki trans – białka wiążące się z sekwencjami regulatorowymi (elementami cis)

10

Czynniki cis

Hartwell, Hood, Goldberg, Reynolds, Silver, Veres. Genetics. From Genes to Genomes. Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc.

11

Czynniki trans

Hartwell, Hood, Goldberg, Reynolds, Silver, Veres. Genetics. From Genes to Genomes. Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc.

12

Transkrypcja: wpływ struktury chromatyny

Hartwell, Hood, Goldberg, Reynolds, Silver, Veres. Genetics. From Genes to Genomes. Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc.

13

Chromatyna

Wyznaczanie miejsc wiązania nukleosomów

Detekcja sekwencji

DNA związanych z

nukleosomami

(Southern, PCR,

sekwencjonowanie)

Trawienie chromatyny nukleazą mikrokokalną

Wyznaczanie miejsc wiązania nukleosomów

Mnase -seq

15

Nukleosomy a transkrypcja

• Schemat otwartych (A) i zamkniętych (B) promotorów.

• Typowa mapa pozycyjna nukleosomów na otwartym promotorze pokazuje wyraźne wyróżnienie locus genowego przez obecność rejonów 5’ i 3’ wolnych od nukleosomów (NDR).

• 5’ NDR sąsiaduje z silnie związanymi nukleosomami

(TSS) - miejsce startu transkrypcji

G. Arya et al. jbsd 2010 16

Zmiany położenia nukleosomów w chromatynie

• A. Schemat ułożenia nukleosomów w chromatynie

• B. Silnie zlokalizowane i rozmyte nukleosomy.

• C. Nukleosomy a miejsca wiązania czynników transkrypcyjnych.

G. Arya et al. jbsd 2010

Zmiany położenia nukleosomów

wprowadzane m.in. przez

kompleksy remodelujące

Nukleosomy a transkrypcja

17

Nukleosomy a transkrypcja

18

Model Inicjacji transkrypcji

19 Bing Li, Michael Carey, and Jerry L. Workman. Cell 128, 707–719, February 23, 2007

Model elongacji transkrypcji

20 Bing Li, Michael Carey, and Jerry L. Workman. Cell 128, 707–719, February 23, 2007

Domeny funkcjonalne i izolatory

• Izolatory oddzielają domeny funkcjonalne w chromatynie

• Białka wiążące się z izolatorami uniemożliwiają interferencję regulatorów z sąsiedniej domeny (innych genów)

Izolator

Izolator

21

Domeny funkcjonalne i izolatory

22

Rando OJ, Chang HY (2009) Annu Rev Biochem.;78:245-71

Co decyduje o miejscu wiązania nukleosomu?

23 Kevin Struhl & Eran Segal. Nature structural & molecular biology VOLUME 20 NUMBER 3 MARCH 2013

Co decyduje o miejscu wiązania nukleosomu?

24 Kevin Struhl & Eran Segal. Nature structural & molecular biology VOLUME 20 NUMBER 3 MARCH 2013

25

Co decyduje o miejscu wiązania nukleosomu?

26

Kevin Struhl & Eran Segal. Nature structural & molecular biology VOLUME 20 NUMBER 3 MARCH 2013

Kuangyu Yen , Vinesh Vinayachandran , Kiran Batta , R. Thomas Koerber , B. Franklin Pugh

Cell Volume 149, Issue 7 2012 1461 - 1473

27

Co decyduje o miejscu wiązania nukleosomu?

http://mcb.illinois.edu/faculty/profile/cmizzen

Struktury chromatyny wyższego rzędu

28

29

Dwa podstawowe stany chromatyny

Euchromatyna Heterochromatyna

dostępna, plastyczna

niedostępna, nieplastyczna

Komórki: macierzyste młode nowotworowe

Komórki: zdeterminowane, zróżnicowane normalne

Komórki hematopoetyczne szpiku kostnego

Proerytroblast Późny erytroblast Granulocyt Monocyt

NATURE REVIEWS | MOLECULAR CELL BIOLOGY | VOLUME 1 | NOVEMBER 2000 | 137

30

Izolacja skondensowanej i otwartej chromatyny

31 Kimura et al., 1983; Fisher and Felsenfeld, 1986; Gilbert and Allan, 2001; Kim and Clark 2002

Struktura 30nm

32

David J. Tremethick Cell 128, February 23, 2007

Domeny chromatynowe

33

Peter Fraser & Wendy Bickmore. NATURE Vol 447 May 2007

Jądro komórkowe - superdomeny i terytoria chromosomowe

34

Giacomo Cavalli & Tom Misteli. Nature structural & molecular biology VOLUME 20 MARCH 2013

35

Giacomo Cavalli & Tom Misteli. Nature structural & molecular biology VOLUME 20 MARCH 2013

Pętle genowe i chromatynowe