Struktura chromatinu Co je to chromatin? - Laboratory of Biology of ...

Struktura chromatinuBuněčné jádro a genová expreseLenka Rossmeislovástruktura-význam-modifikaceCo je to chromatin?„hmota, ze které jsou vytvořeny chromozomy“DNA asociovaná s proteiny, které napomáhají jejíorganizaci a aktivují/reprimují pochody spojené sjejí funkcí

Nukleozom• Tetramer H3-H4 and heterodimer H2A-H2B• 146 bp, které tvoří 1 ¾otáčky levotočivého superhelixu DNA• 5-10 násobná kondenzace chromatinu• bazické proteinyHistony• nejvíce konzervované proteiny mezi Eukaryoty• strukturní motivy-3 α helixy, 2 smyčky, dlouhé N-a C-konce (tails)• interakce mezi histony samotnými, N konec H4 proniká i do vedlejšíhonukleozomu• interakce s DNA-vodíkové a solné můstky převážně s fosfát-cukernoupáteří (>120 interakcí), existují i bázově specifické vazby např. s(‏H3‎‏)‏ tymidinem

Význam histonů a nukleozomůKondenzace chromatinupři mitoze je chromatin kondenzován 10 000xRegulace genové expresearchebakteriální histony slouží současně jako regulátory transkripcevazba histonů jednoznačně inhibuje vazbu proteinů nehistonové povahytj.šikovně umístěný nukleozom bude bránit vazbě transkripčníchfaktorů (většina TF vyžaduje rozvolnění nukleozomu před vlastnívazbou) nebo naopak bude sloužit jako rozpoznávací element na DNAModifikace strukturychromatinuZpůsoby:Využití histonových variantKovalentní modifikace histonůATP-dependentní remodelacevšechny 3 mechanizmy se vzájemně ovlivňují a často jsou nasobě i závisléexprese genuhistonové modifikaceremodelační enzymy

Histonové variantypodobná sekvence, ale kódovány jinými geny, často s intronyjejich exprese je specifická pro určitý stav/určité buňkyH2A.X -10-15% H2A, „přilákání“ DNA reparujících enzymů a kohezinů kmístům DNA zlomů, fosforylován ATM, ATR a DNA-PK kinázou, vliv na VDJrekombinaciH2A.Z -5-10% H2A,spojen se sníženou nukleozomovou stabilitou, stranskribovanými oblastmi a promotory, obsahuje iont kovu-rozpoznávací signálmacro H2A- inaktivní X chromozomH2A.Bdb-“Barr body deficient“, organizuje pouze 118 bp DNA-->vyššínukleozomová denzitaH3.3- v nedělících se buňkách, nahrazuje H3 v průběhu transkripce -->označení genů po aktivní transkripci, SAHF (senescence-associated(‏foci heterochromatinCENP-A-centromery, postrádá fosforylační a acetylační místa H3H1.2- uvolňuje se z poškozené DNA (ds breaks), v cytosolu funguje jakoproapoptotický faktorpro H4 nejsou známy žádné variantyModifikace histonůN- konce histonů (a C konec H2A) vyčnívají z nukleozomu a jsoupřístupné posttranslačním modifikacím* histony jsou ovšem modifikovány i na α-helixech a smyčkách *Význam modifikacízměna vazebných vlastností vůči DNA a jiným proteinům včetněsamotných histonůzvýšení/snížení mobility nukleozomůzměna vyšších struktur chromatinuznačka pro remodelační a jiné enzymyzměna genové expreseudržení epigenetické informace

Modifikace histonů(‏zbytky typy modifikací- fosforylace-kinázy (S, Tacetylace- HAC, acetyltransferázy (Kzbytky),CBP/p300deacetylace- HDAC, deacetylázymetylace-HMTS, metyltransferázy (K, R(‏zbytkydemetylace-demetylázy LSD1 a jumonji (Kzbytky) PADI4 (R(‏zbytky (‏zbytky ADP-ribosylace (K, Emono-ubiquitinace (K zbytky)SUMOylace (K zbytky)interakce modifikujících zbytků- určité modifikace podmiňují jinénebo se vzájemně vylučujíModifikacehistonů třídy I

Modifikace histonů třídy IIHistonový kódSpecifická modifikace histonu, resp. jejich kombinace, vytváříkód, který definuje současnou nebo potenciální transkripčníaktivitu.Zajišťují ho enzymy histony modifikující a enzymy schopnétyto modifikace rozeznat.

Histonový kódAktivaceRepreseAcetylaceMetylacelysinuMetylaceargininu§H3-K4°, K36H3-R2, R17, R26H4-R3H3-K9*, K27, K79§ vazba SWI-SNF a TFIID*vazba HP1-asociace s heterochromatinem°brání deacetylaci a vazbě HP1Model regulované nukleozomovémobility a histonového kóduModifikace přístupného N konce histonuNavázání chromatin remodelujícího komplexuskrze rozeznání modifikované AMKbromo nebo chromodoménouUvolnění DNA-histonových vazebModifikace histonového kórebránící opětovné vazbě na DNAZvýšení mobility nukleozomuMožnost vazby dalších DNA vazebných faktorůCosgrove MS, Nature Structural & Molecular Biology, November 2004

Model regulované nukleozomové mobilitya transkripční aktivace-promotor pS2Epigenetická dědičnostEpigenetický znak je takový, který je přenášen z jednégenerace do druhé nezávisle na DNA sekvenci-platí nabuněčné úrovni i na úrovni celého organizmu.metylované CpG ostrovy přitahují methyl-DNAvazebné proteiny, ty dále HDAC--> deacetylace oblastia umlčení genů; možný i opačný mechanizmusvýznam pro udržení směru buněčné diferenciacerozhodnutí o změně je provedeno pouze jednou, dále jejen udržovánonukleozom-přenos buněčné paměti na další generaci

Mechanizmus rozšiřování modifikací nukleozomůSpecializované chromatinovéstrukturyCentromeryCENP-A nahrazuje H3, tvoří komplex s CENP-B a C a další proteinynutné k oddělení sesterských chromatid (cohesin, condensin),RNAi-nezbytná k metylaci K9Telomery(‏HDAC‏)‏ umlčení genů v blízkosti telomer, protein RAP1--> SIRInaktivní X chromozommacroH2A, RNAi vedoucí k umlčení genů nuklezom-dependentnímmechanizmem, genová kompenzace u savců

Shrnutí• Chromatin-komplex DNA a proteinů, význam pro kondenzaci DNAa regulaci genové exprese• Základní jednotka-nukleozom, oktamer histonů a 146bp DNA• Vyšší řády uspořádání-30nm vlákno, ostatní nejasné• Modifikace chromatinu-histonové varianty, modifikace histonů,ATP-dependentní remodeling• Modifikace histonů-N konce ale i histonové kóre, acetyl, metyl,fosfát, ubiquitin• Histonový kód- soubor histonových modifikací určujícítranskripční a jinou aktivitu oblasti• Epigenetická dědičnostLiteraturaWu J, Grunstein M: 25 years after the nucleosome model: chromatinmodification. TIBS, 25, 2000.Felsenfeld G, Groudine M: Controlling the double helix. Nature, Vol 421,2003Berger SL: The complex language of chromatin regulation duringtranscription, Nature, Vol 447, 2007Cosgrove MS, Boeke JD, Wolberger C: Regulated nucleosome mobility andthe histone code, Nature Structural & Molecular Biology, Vol 11, 2004Klose RJ, Zhang Y: Regulation of histone methylation bydemethylimination and demethylation, Nature Reviews Molecular CellBiology, Vol 8, 2007