Indagine strutturale e dinamica dell'istone H2B nel pozzo

Biologia delle comunicazioni volume 6, numero articolo: 672 (2023) Citare questo articolo

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Il dimero H2A-H2B è un componente chiave dei nucleosomi e un attore importante nella biologia della cromatina. Qui, abbiamo caratterizzato la struttura e la dinamica dell'H2B nelle particelle del nucleo del nucleosoma precipitato (NCP) con una concentrazione fisiologicamente rilevante utilizzando NMR allo stato solido. La nostra recente indagine sul tetramero H3-H4 ha determinato le sue proprietà dinamiche uniche e il presente lavoro fornisce una comprensione più profonda delle reti dinamiche precedentemente osservate nell'NCP che è potenzialmente funzionalmente significativa. Sono state ottenute assegnazioni quasi complete di 13C e 15N per H2B R30-A121, che consentono di estrarre dinamiche strutturali e amminoacidi site-specific dettagliate senza precedenti. La struttura derivata dell'H2B nel campione NCP ben idratato concorda bene con quella dei cristalli a raggi X. Le dinamiche a diverse scale temporali sono state determinate in modo semiquantitativo per H2B in modo sito-specifico. In particolare, si osservano dinamiche millisecondo-microsecondo più elevate per le regioni centrali dell'H2B, tra cui α1 parziale, L1, α2 parziale e L3 parziale. L'analisi di queste regioni nel contesto della struttura terziaria rivela il raggruppamento di residui dinamici. Nel complesso, questo lavoro colma una lacuna nell'assegnazione completa della risonanza di tutti e quattro gli istoni nei nucleosomi e delinea che le reti dinamiche in NCP si estendono all'H2B, il che suggerisce un potenziale meccanismo per accoppiare il nucleo dell'istone con il DNA distante per modulare le attività del DNA.

La particella centrale del nucleosoma a forma di disco (NCP) funge da unità di base della cromatina ed è organizzata dal DNA avvolto attorno a un ottamero istonico che è un complesso delle proteine ​​istoniche H2A, H2B, H3 e H41,2,3,4, che è collegato dal DNA linker per formare la cromatina. L'ottamero dell'istone fornisce una piattaforma stabile e, nel frattempo, preserva la plasticità per supportare la regolazione del DNA. La modulazione delle attività del DNA si ottiene mediante vari meccanismi, tra cui le modifiche post-traduzionali (PTM)5,6,7,8, l'incorporazione di varianti istoniche9,10 e le interazioni con le proteine ​​effettrici11,12. Con i recenti progressi nelle tecniche di biologia strutturale, sono state recentemente risolte sostanziali strutture di risoluzione atomica dei nucleosomi e dei complessi nucleosoma-proteina, il che amplia la nostra comprensione della regolazione genetica1,13,14,15,16. Inoltre, la dinamica dei nucleosomi e dei subnucleosomi è stata riconosciuta come essenziale per la biologia della cromatina17,18,19,20. La cromatina è un sistema altamente dinamico sia a livello di microscala che di mesoscala, che è ben modulato dai fattori di regolazione al fine di mantenere l'omeostasi cellulare17,19. Studi recenti di NMR, MD e FRET hanno riportato dinamiche su microscala con elevata risoluzione spaziale e temporale per i nucleosomi18,21,22,23,24,25,26,27, rivelando caratteristiche dinamiche funzionali degli istoni e del DNA nei complessi. Inoltre, i fenomeni di separazione di fase della cromatina sono stati studiati per molti decenni28,29,30, e recentemente i comportamenti di separazione di fase liquido-liquido della cromatina hanno attirato molta attenzione poiché potenzialmente descrivono nuovi meccanismi di regolazione del DNA nonostante i controversi risultati in vivo e in vitro sono stati ottenuti per questa proprietà biofisica31,32,33, in attesa di ulteriori indagini. La NMR allo stato solido (SSNMR) è recentemente emersa come una delle tecniche ad alta risoluzione in grado di chiarire la dinamica e l'assemblaggio conformazionale nella biologia della cromatina22,34,35,36,37. Ad esempio, lo studio SSNMR degli array di nucleosomi che ospitano la mono-metilazione dell'istone H4 aa K20 (H4K20me1) rivela che questo PTM migliora la dinamica degli istoni e riduce la compattazione degli array di nucleosomi, il che spiega la sua abbondanza nelle regioni attive della trascrizione38. La nostra precedente indagine sulla dinamica dei nucleosomi ha chiarito l'esistenza di reti dinamiche nel tetramero H3-H4 formato da un numero di residui39. Tali reti consentono l'accoppiamento tra le regioni centrali dell'istone con il DNA e possono trasmettere segnali epigenetici dalle regioni centrali ai siti lontani del DNA. Una dinamica funzionale simile dei nucleosomi è stata recentemente segnalata da uno studio MD condotto una simulazione di 15 microsecondi di un NCP23. L'esistenza di reti dinamiche è suggerita anche da uno studio NMR dello stato della soluzione di NCP che ospitano siti di acetilazione nelle code N H3 e H440. Tuttavia, il dimero H2A-H2B è un altro componente chiave nella biologia della cromatina e manca ancora il quadro completo delle sue proprietà dinamiche nel nucleo del nucleosoma. La scoperta delle proprietà dinamiche funzionali del tetramero H3-H4 nei nucleosomi ci incoraggia a caratterizzare ulteriormente gli istoni H2A e H2B nel nucleo dell'ottamero istonico del nucleosoma, che fornirà le informazioni mancanti sulla dinamica funzionale dei nucleosomi.