Struktura chromatinu
Lenka Rossmeislová
Buněčné jádro a genová exprese
struktura-význam-modifikace
Co je to chromatin?
„hmota, ze které jsou vytvořeny chromozomy“
DNA asociovaná s proteiny, které napomáhají jejíorganizaci a aktivují/reprimují pochody spojené s její funkcí
Struktura chromatinu
Základní jednotkaNukleozom
Vyšší řády organizace
Nejsou přesněcharakterizovány
Chromatin v mikroskopu
NukleozomTetramer H3-H4 and heterodimer H2A-H2B146 bp, které tvoří 1 ¾ otáčky levotočivého superhelixu DNA5-10 násobná kondenzace chromatinu
Histonybazické proteiny nejvíce konzervované proteiny mezi Eukaryotystrukturní 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 nukleozomůKondenzace chromatinu
Regulace genové exprese
archebakteriální histony slouží současně jako regulátory transkripce
vazba histonů jednoznačně inhibuje vazbu proteinů nehistonové povahy-tj. šikovně umístěný nukleozom bude bránit vazbě transkripčních faktorů (většina TF vyžaduje rozvolnění nukleozomu před vlastnívazbou) nebo naopak bude sloužit jako rozpoznávací element na DNA
při mitoze je chromatin kondenzován 10 000x
Modifikace struktury chromatinu
Způsoby:Využití histonových variantKovalentní modifikace histonůATP-dependentní remodelace
všechny 3 mechanizmy se vzájemně ovlivňují a často jsou na sobě i závislé
exprese genu
histonové modifikace remodelační enzymy
Histonové variantypodobná sekvence, ale kódovány jinými geny, často s intronyjejich 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 rekombinaciH2A.Z -5-10% H2A,spojen se sníženou nukleozomovou stabilitou, s transkribovanými 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 heterochromatin foci) CENP-A-centromery, postrádá fosforylační a acetylační místa H3H1.2- uvolňuje se z poškozené DNA (ds breaks), v cytosolu funguje jako proapoptotický faktor pro H4 nejsou známy žádné varianty
Modifikace histonů
zvýšení/snížení mobility nukleozomůzměna vyšších struktur chromatinuznačka pro remodelační a jiné enzymy
změna genové expreseudržení epigenetické informace
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 modifikacízměna vazebných vlastností vůči DNA a jiným proteinům včetněsamotných histonů
Modifikace histonů
typy modifikací- fosforylace-kinázy (S, T zbytky)acetylace- HAC, acetyltransferázy (K
zbytky), CBP/p300deacetylace- HDAC, deacetylázymetylace-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 jinénebo se vzájemně vylučují
Modifikace histonů třídy I
Modifikace histonů třídy II
Histonový kód
Specifická modifikace histonu, resp. jejich kombinace, vytváříkód, který definuje současnou nebo potenciální transkripčníaktivitu.
Zajišťují ho enzymy histony modifikující a enzymy schopnétyto modifikace rozeznat.
Histonový kód
Aktivace Represe
Acetylace
Metylace lysinu
Metylace argininu
§
H3-K4°, K36 H3-K9*, K27, K79
H3-R2, R17, R26H4-R3
§ vazba SWI-SNF a TFIID*vazba HP1-asociace s heterochromatinem°brání deacetylaci a vazbě HP1
Model regulované nukleozomovémobility a histonového kódu
Modifikace přístupného N konce histonu
Navázání chromatin remodelujícího komplexuskrze rozeznání modifikované AMK
bromo nebo chromodoménou
Uvolnění DNA-histonových vazeb
Modifikace histonového kórebránící 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 dědičnostEpigenetický znak je takový, který je přenášen z jednégenerace 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 diferenciacerozhodnutí o změně je provedeno pouze jednou, dále je jen udržováno
nukleozom-přenos buněčné paměti na další generaci
Mechanizmus rozšiřování modifikací nukleozomů
Specializované chromatinovéstruktury
CentromeryCENP-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
Telomeryumlčení genů v blízkosti telomer, protein RAP1--> SIR (HDAC)
Inaktivní X chromozommacroH2A, RNAi vedoucí k umlčení genů nuklezom-dependentním mechanizmem, genová kompenzace u savců
ShrnutíChromatin-komplex DNA a proteinů, význam pro kondenzaci DNA a 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 dědičnost
LiteraturaWu 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
