Struktura chromatinu Buněčné jádro a genová exprese
Lenka Rossmeislová
struktura-význam-modifikace
Co je to chromatin? „hmota, ze které jsou vytvořeny chromozomy“
DNA asociovaná s proteiny, které napomáhají její organizaci a aktivují/reprimují pochody spojené s její funkcí
Struktura chromatinu Základní jednotka Nukleozom
Vyšší řády organizace Nejsou přesně charakterizovány
Chromatin v mikroskopu
Nukleozom z z z
Tetramer H3-H4 and heterodimer H2A-H2B 146 bp, které tvoří 1 ¾ otáčky levotočivého superhelixu DNA 5-10 násobná kondenzace chromatinu
Histony
z z z z
z
bazické proteiny 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 vedlejšího nukleozomu interakce s DNA-vodíkové a solné můstky převážně s fosfát-cukernou páteří (>120 interakcí), existují i bázově specifické vazby např. s tymidinem (H3)
Význam histonů a nukleozomů Kondenzace chromatinu při mitoze je chromatin kondenzován 10 000x
Regulace genové exprese archebakteriální histony slouží současně jako regulátory transkripce vazba histonů jednoznačně inhibuje vazbu proteinů nehistonové povahytj. šikovně umístěný nukleozom bude bránit vazbě transkripčních faktorů (většina TF vyžaduje rozvolnění nukleozomu před vlastní vazbou) nebo naopak bude sloužit jako rozpoznávací element na DNA
Modifikace struktury chromatinu
Způsoby:
Využití histonových variant Kovalentní modifikace histonů ATP-dependentní remodelace všechny 3 mechanizmy se vzájemně ovlivňují a často jsou na sobě i závislé
exprese genu histonové modifikace
remodelační enzymy
Histonové varianty podobná sekvence, ale kódovány jinými geny, často s introny jejich exprese je specifická pro určitý stav/určité buňky H2A.X -10-15% H2A, „přilákání“ DNA reparujících enzymů a kohezinů k místům DNA zlomů, fosforylován ATM, ATR a DNA-PK kinázou, vliv na VDJ rekombinaci H2A.Z -5-10% H2A,spojen se sníženou nukleozomovou stabilitou, s transkribovanými oblastmi a promotory, obsahuje iont kovu-rozpoznávací signál macro H2A- inaktivní X chromozom H2A.Bdb-“Barr body deficient“, organizuje pouze 118 bp DNA-->vyšší nukleozomová denzita H3.3- v nedělících se buňkách, nahrazuje H3 v průběhu transkripce --> označení genů po aktivní transkripci, SAHF (senescence-associated heterochromatin foci) CENP-A-centromery, postrádá fosforylační a acetylační místa H3 H1.2- uvolňuje se z poškozené DNA (ds breaks), v cytosolu funguje jako proapoptotický faktor pro H4 nejsou známy žádné varianty
Modifikace histonů N- konce histonů (a C konec H2A) vyčnívají z nukleozomu a jsou přístupné posttranslačním modifikacím * histony jsou ovšem modifikovány i na α-helixech a smyčkách * Význam modifikací změna vazebných vlastností vůči DNA a jiným proteinům včetně samotných histonů zvýšení/snížení mobility nukleozomů změna vyšších struktur chromatinu značka pro remodelační a jiné enzymy změna genové exprese udržení epigenetické informace
Modifikace histonů typy modifikací- fosforylace-kinázy (S, T zbytky) acetylace- HAC, acetyltransferázy (K zbytky), CBP/p300 deacetylace- HDAC, deacetylázy metylace-HMTS, metyltransferázy (K, R zbytky) demetylace-demetylázy LSD1 a jumonji (K zbytky) PADI4 (R zbytky) ADP-ribosylace (K, E zbytky) mono-ubiquitinace (K zbytky) SUMOylace (K zbytky) interakce modifikujících zbytků- určité modifikace podmiňují jiné nebo se vzájemně vylučují
Modifikace histonů třídy I
Modifikace histonů třídy II
Histonový kód Specifická modifikace histonu, resp. jejich kombinace, vytváří kód, který definuje současnou nebo potenciální transkripční aktivitu. Zajišťují ho enzymy histony modifikující a enzymy schopné tyto modifikace rozeznat.
Histonový kód Aktivace Acetylace
Represe
§
Metylace lysinu
H3-K4°, K36
Metylace argininu
H3-R2, R17, R26 H4-R3
H3-K9*, K27, K79
§ vazba SWI-SNF a TFIID *vazba HP1-asociace s heterochromatinem °brání deacetylaci a vazbě HP1
Model regulované nukleozomové mobility a histonového kódu Modifikace přístupného N konce histonu Navázání chromatin remodelujícího komplexu skrze rozeznání modifikované AMK bromo nebo chromodoménou Uvolnění DNA-histonových vazeb Modifikace histonového kóre bránící opětovné vazbě na DNA Zvýšení mobility nukleozomu Možnost vazby dalších DNA vazebných faktorů Cosgrove MS, Nature Structural & Molecular Biology, November 2004
Model regulované nukleozomové mobility a transkripční aktivace-promotor pS2
Epigenetická dědičnost Epigenetický znak je takový, který je přenášen z jedné generace do druhé nezávisle na DNA sekvenci-platí na buněčné úrovni i na úrovni celého organizmu. metylované CpG ostrovy přitahují methyl-DNA vazebné proteiny, ty dále HDAC--> deacetylace oblasti a umlčení genů; možný i opačný mechanizmus význam pro udržení směru buněčné diferenciace rozhodnutí o změně je provedeno pouze jednou, dále je jen udržováno nukleozom-přenos buněčné paměti na další generaci
Mechanizmus rozšiřování modifikací nukleozomů
Specializované chromatinové struktury Centromery CENP-A nahrazuje H3, tvoří komplex s CENP-B a C a další proteiny nutné k oddělení sesterských chromatid (cohesin, condensin), RNAi-nezbytná k metylaci K9 Telomery umlčení genů v blízkosti telomer, protein RAP1--> SIR (HDAC) Inaktivní X chromozom macroH2A, RNAi vedoucí k umlčení genů nuklezom-dependentním mechanizmem, genová kompenzace u savců
Shrnutí z
Chromatin-komplex DNA a proteinů, význam pro kondenzaci DNA a regulaci genové exprese
z
Základní jednotka-nukleozom, oktamer histonů a 146bp DNA
z
Vyšší řády uspořádání-30nm vlákno, ostatní nejasné
z
z
z
z
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 určující transkripční a jinou aktivitu oblasti Epigenetická dědičnost
Literatura Wu J, Grunstein M: 25 years after the nucleosome model: chromatin modification. TIBS, 25, 2000. Felsenfeld G, Groudine M: Controlling the double helix. Nature, Vol 421, 2003 Berger SL: The complex language of chromatin regulation during transcription, Nature, Vol 447, 2007 Cosgrove MS, Boeke JD, Wolberger C: Regulated nucleosome mobility and the histone code, Nature Structural & Molecular Biology, Vol 11, 2004 Klose RJ, Zhang Y: Regulation of histone methylation by demethylimination and demethylation, Nature Reviews Molecular Cell Biology, Vol 8, 2007
