ตำแหน่งและการเปลี่ยนแปลงของนิวคลีโอโซม

นิวคลีโอโซมไม่ได้มีการกระจายตัวแบบสุ่มไปตามจีโนม: ตำแหน่งที่แม่นยำของพวกมันและบริเวณที่ปราศจากนิวคลีโอโซมจะกำหนดว่าลำดับควบคุมใดที่สามารถเข้าถึงได้ ตำแหน่งของนิวคลีโอโซมและการเปลี่ยนแปลงแบบไดนามิกเป็นปัจจัยสำคัญในการควบคุมยีน และแผนที่ทั่วทั้งจีโนมที่แสดงตำแหน่งของนิวคลีโอโซมได้กลายเป็นวิธีมาตรฐานในการอ่านการเข้าถึงของโครมาติน

Definition

ตำแหน่งของนิวคลีโอโซมหมายถึงตำแหน่งของนิวคลีโอโซมที่สัมพันธ์กับลำดับ DNA และซึ่งกันและกัน; ร่วมกับการประกอบตัวแบบไดนามิก, การจัดตำแหน่งใหม่, และการทำให้ไม่เสถียร, มันควบคุมการเข้าถึงของ DNA ควบคุมในระดับท้องถิ่น

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงปัจจัยที่กำหนดตำแหน่งของนิวคลีโอโซมตาม DNA, บริเวณที่ปราศจากนิวคลีโอโซมซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของโปรโมเตอร์ที่ทำงานอยู่, พลวัตที่นิวคลีโอโซมถูกประกอบขึ้น, เคลื่อนย้าย และทำให้ไม่เสถียร, และวิธีการทางจีโนมที่ใช้ในการทำแผนที่ตำแหน่งและการเข้าถึง นี่คือข้อมูลอ้างอิงเกี่ยวกับการจัดระเบียบโครมาตินและไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• อะไรเป็นตัวกำหนดตำแหน่งของนิวคลีโอโซมตามจีโนม?
• ทำไมโปรโมเตอร์ที่ทำงานอยู่มักจะถูกขนาบข้างด้วยนิวคลีโอโซมที่จัดเรียงอย่างเป็นระเบียบและบริเวณที่ปราศจากนิวคลีโอโซม?
• การวัดตำแหน่งของนิวคลีโอโซมทั่วทั้งจีโนมทำได้อย่างไร และเผยให้เห็นอะไรเกี่ยวกับการเข้าถึง?

Key concepts

• บริเวณที่ปราศจากนิวคลีโอโซม (NDR)
• การจัดระเบียบนิวคลีโอโซมของโปรโมเตอร์ (นิวคลีโอโซม +1)
• การจัดตำแหน่งเชิงสถิติเทียบกับการจัดตำแหน่งที่กำกับโดยลำดับ
• การจัดเรียงเฟสและชุดของนิวคลีโอโซม
• การหมุนเวียนและการทำให้ไม่เสถียรของนิวคลีโอโซม
• การทำแผนที่ด้วย MNase-seq และ ATAC-seq

Key theories

การจัดตำแหน่งเชิงสถิติรอบสิ่งกีดขวางที่คงที่

แทนที่จะให้นิวคลีโอโซมแต่ละตัวถูกเข้ารหัสลำดับอย่างอิสระ ชุดลำดับที่จัดเรียงอย่างเป็นระเบียบมักเกิดขึ้นในเชิงสถิติ: สิ่งกีดขวางที่คงที่ เช่น ปัจจัยที่จับอยู่หรือบริเวณโปรโมเตอร์ที่ปราศจากนิวคลีโอโซม จะจัดเรียงนิวคลีโอโซมที่อยู่ใกล้เคียงให้อยู่ในตำแหน่งปกติ ซึ่งเป็นแบบจำลองที่ได้รับการสนับสนุนจากการทำแผนที่ตำแหน่งของนิวคลีโอโซมในระดับจีโนม

Mechanisms

ตำแหน่งของนิวคลีโอโซมถูกกำหนดโดยปัจจัยหลายอย่างที่ทับซ้อนกัน: ความสามารถในการโค้งงอโดยธรรมชาติของลำดับ DNA, การจับของปัจจัยการถอดรหัสและกลไกการถอดรหัสทั่วไป, การทำงานของเอนไซม์รีโมเดลเลอร์ที่ขึ้นกับ ATP ซึ่งเลื่อนและจัดระยะห่างของนิวคลีโอโซม, และขอบเขตที่กำหนดโดยองค์ประกอบคงที่ดังกล่าว โปรโมเตอร์ที่ทำงานอยู่มักจะแสดงบริเวณที่ปราศจากนิวคลีโอโซม (nucleosome-depleted region) เหนือตำแหน่งเริ่มต้นของการถอดรหัส (transcription start site) โดยมีนิวคลีโอโซมที่จัดตำแหน่งไว้อย่างดีขนาบข้าง และนิวคลีโอโซม +1 ที่เรียกว่าเป็นจุดเริ่มต้นของชุดลำดับที่จัดเรียงอย่างเป็นระเบียบ ตำแหน่งเหล่านี้มีการเปลี่ยนแปลงแบบไดนามิก: นิวคลีโอโซมถูกประกอบขึ้นอย่างต่อเนื่องในระหว่างการจำลองแบบ, ถูกทำให้ไม่เสถียรหรือถูกขับออกในระหว่างการถอดรหัส, และถูกจัดตำแหน่งใหม่โดยรีโมเดลเลอร์, และการหมุนเวียนอย่างรวดเร็วในบริเวณควบคุมทำให้พวกมันสามารถเข้าถึงได้ แผนที่ทั่วทั้งจีโนมที่สร้างขึ้นโดยการย่อยโครมาตินด้วยไมโครคอคคัลนิวคลีเอส (micrococcal nuclease) หรือโดยการทำโปรไฟล์โครมาตินแบบเปิดด้วย ATAC-seq ที่ใช้ทรานสโพเสส (transposase-based ATAC-seq) เผยให้เห็นตำแหน่งเหล่านี้และภูมิทัศน์ของการเข้าถึง

Clinical relevance

การจัดตำแหน่งของนิวคลีโอโซมและการทำโปรไฟล์การเข้าถึงเป็นพื้นฐานของแผนที่องค์ประกอบควบคุมในเซลล์มนุษย์ประเภทต่างๆ และถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในการศึกษาว่าการควบคุมยีนแตกต่างกันอย่างไรระหว่างเนื้อเยื่อที่แข็งแรงและเนื้อเยื่อที่เป็นโรค ข้อมูลนี้อธิบายถึงการจัดระเบียบและการวัดนิวคลีโอโซมเพื่อการอ้างอิงและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษา

History

แม้ว่านิวคลีโอโซมแต่ละตัวที่จัดตำแหน่งไว้อย่างดีจะเป็นที่รู้จักมาก่อน แต่การทำแผนที่ในระดับจีโนมได้เปลี่ยนแปลงสาขาในกลางทศวรรษ 2000 เมื่อการสำรวจความละเอียดสูงในยีสต์ระบุตำแหน่งของนิวคลีโอโซมทั่วทั้งจีโนมและเผยให้เห็นการจัดระเบียบที่เป็นระเบียบรอบโปรโมเตอร์ บทวิจารณ์ได้รวมผลการวิจัยเหล่านี้เข้ากับแบบจำลองการจัดตำแหน่งเชิงสถิติและที่กำกับโดยปัจจัย และการพัฒนา ATAC-seq ที่ใช้ทรานสโพเสสในภายหลังทำให้การทำโปรไฟล์โครมาตินแบบเปิดและตำแหน่งของนิวคลีโอโซมเป็นไปอย่างรวดเร็วและสามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้อย่างกว้างขวาง

Key figures

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

Seminal works

• yuan-2005
• jiang-2009

Frequently asked questions

บริเวณที่ปราศจากนิวคลีโอโซมคืออะไร?

เป็นส่วนของ DNA ซึ่งโดยทั่วไปจะอยู่เหนือตำแหน่งเริ่มต้นของยีนที่ทำงานอยู่ ซึ่งส่วนใหญ่ปราศจากนิวคลีโอโซมและดังนั้นจึงสามารถเข้าถึงได้โดยปัจจัยการถอดรหัสและกลไกการถอดรหัส

การวัดตำแหน่งของนิวคลีโอโซมทั่วทั้งจีโนมทำได้อย่างไร?

วิธีการทั่วไปคือการย่อยโครมาตินด้วยไมโครคอคคัลนิวคลีเอสเพื่อทำแผนที่ DNA ของนิวคลีโอโซมที่ได้รับการป้องกัน หรือใช้ ATAC-seq ที่ใช้ทรานสโพเสสเพื่อทำโปรไฟล์บริเวณที่เข้าถึงได้และปราศจากนิวคลีโอโซม ซึ่งทั้งสองวิธีจะอ่านผลด้วยการจัดลำดับแบบปริมาณงานสูง