Nukleosomenpositionierung und -dynamik

Nukleosomen sind nicht zufällig entlang des Genoms verteilt: Ihre präzisen Positionen und die von ihnen freigelassenen Regionen bestimmen, welche regulatorischen Sequenzen zugänglich sind. Die Nukleosomenpositionierung und ihre dynamischen Veränderungen sind ein wesentlicher Faktor der Genregulation, und genomweite Karten der Nukleosomenpositionen sind zu einer Standardmethode zur Bestimmung der Chromatinzugänglichkeit geworden.

Definition

Nukleosomenpositionierung bezieht sich auf die Lage von Nukleosomen relativ zur DNA-Sequenz und zueinander; zusammen mit ihrer dynamischen Assemblierung, Repositionierung und Destabilisierung steuert sie die lokale Zugänglichkeit regulatorischer DNA.

Scope

Dieses Thema behandelt, was die Platzierung von Nukleosomen entlang der DNA bestimmt, die charakteristischen nukleosomenfreien Regionen an aktiven Promotoren, die Dynamik, durch die Nukleosomen zusammengebaut, verschoben und destabilisiert werden, sowie die genomischen Methoden, die zur Kartierung der Positionierung und Zugänglichkeit verwendet werden. Es handelt sich um einen Referenzeintrag zur Chromatinorganisation und ist keine klinische Leitlinie.

Core questions

• Was bestimmt die Positionierung von Nukleosomen entlang des Genoms?
• Warum sind aktive Promotoren typischerweise von geordneten Nukleosomen und einer nukleosomenfreien Region flankiert?
• Wie wird die Nukleosomenpositionierung genomweit gemessen, und was verrät sie über die Zugänglichkeit?

Key concepts

• Nukleosomenfreie Region (NDR)
• Promotor-Nukleosomenorganisation (+1 Nukleosom)
• Statistische vs. sequenzgesteuerte Positionierung
• Nukleosomen-Phasierung und -Anordnungen
• Nukleosomenumsatz und -destabilisierung
• MNase-seq und ATAC-seq Kartierung

Key theories

Statistische Positionierung um feste Barrieren

Anstatt dass jedes Nukleosom unabhängig sequenzkodiert ist, entstehen geordnete Anordnungen oft statistisch: Eine feste Barriere wie ein gebundener Faktor oder eine nukleosomenfreie Promotorregion phasiert benachbarte Nukleosomen in reguläre Positionen, ein Modell, das durch genomweite Kartierung von Nukleosomenpositionen gestützt wird.

Mechanisms

Die Nukleosomenpositionierung wird durch mehrere überlappende Faktoren bestimmt: die intrinsische Biegsamkeit der DNA-Sequenz, die Bindung von Transkriptionsfaktoren und der allgemeinen Transkriptionsmaschinerie, die Wirkung von ATP-abhängigen Remodelern, die Nukleosomen verschieben und anordnen, sowie die Grenzen, die durch solche festen Elemente gesetzt werden. Aktive Promotoren weisen typischerweise eine nukleosomenfreie Region stromaufwärts der Transkriptionsstartstelle auf, flankiert von gut positionierten Nukleosomen, wobei das sogenannte +1-Nukleosom den Beginn einer geordneten stromabwärtigen Anordnung markiert. Diese Positionen sind dynamisch: Nukleosomen werden während der Replikation kontinuierlich assembliert, während der Transkription destabilisiert oder entfernt und durch Remodeler neu positioniert, und ein schneller Umsatz in regulatorischen Regionen hält sie zugänglich. Genomweite Karten, die durch Verdauung von Chromatin mit Mikrokokken-Nuklease oder durch Profilierung von offenem Chromatin mit Transposase-basierter ATAC-seq erstellt werden, zeigen diese Positionen und die Zugänglichkeitslandschaft.

Clinical relevance

Die Nukleosomenpositionierung und die Profilierung der Zugänglichkeit bilden die Grundlage für Karten regulatorischer Elemente in menschlichen Zelltypen und werden häufig verwendet, um zu untersuchen, wie sich die Genregulation zwischen gesunden und erkrankten Geweben unterscheidet. Dieser Eintrag beschreibt die Organisation und Messung von Nukleosomen zu Referenzzwecken und ist keine Grundlage für Diagnose oder Behandlung.

History

Obwohl einzelne gut positionierte Nukleosomen bereits früher bekannt waren, revolutionierte die genomweite Kartierung das Feld Mitte der 2000er Jahre, als hochauflösende Untersuchungen in Hefe Nukleosomen über ein gesamtes Genom lokalisierten und die geordnete Organisation um Promotoren herum aufdeckten. Übersichtsartikel integrierten diese Erkenntnisse in Modelle der statistischen und faktorgesteuerten Positionierung, und die spätere Entwicklung der Transposase-basierten ATAC-seq machte die Profilierung von offenem Chromatin und Nukleosomenpositionen schnell und breit anwendbar.

Key figures

• B. Franklin Pugh
• Oliver Rando
• Steven Henikoff
• Jason Buenrostro

Seminal works

• yuan-2005
• jiang-2009

Frequently asked questions

Was ist eine nukleosomenfreie Region?

Es ist ein DNA-Abschnitt, typischerweise direkt stromaufwärts der Startstelle eines aktiven Gens, der weitgehend frei von Nukleosomen und daher für Transkriptionsfaktoren und die Transkriptionsmaschinerie zugänglich ist.

Wie wird die Nukleosomenpositionierung im gesamten Genom gemessen?

Gängige Ansätze verdauen Chromatin mit Mikrokokken-Nuklease, um geschützte nukleosomale DNA zu kartieren, oder verwenden Transposase-basierte ATAC-seq, um zugängliche, nukleosomenfreie Regionen zu profilieren, beides wird mittels Hochdurchsatzsequenzierung ausgelesen.