Định vị và Động lực học của Nucleosome

Các nucleosome không phân bố ngẫu nhiên dọc theo bộ gen: vị trí chính xác của chúng và các vùng không có nucleosome định hình khả năng tiếp cận của các trình tự điều hòa. Định vị nucleosome và những thay đổi động lực học của nó là yếu tố quyết định chính trong điều hòa gen, và các bản đồ toàn bộ bộ gen về vị trí của nucleosome đã trở thành một cách tiêu chuẩn để đọc khả năng tiếp cận chromatin.

Definition

Định vị nucleosome đề cập đến vị trí của nucleosome so với trình tự DNA và so với nhau; cùng với sự lắp ráp, tái định vị và mất ổn định động lực học của chúng, nó điều chỉnh khả năng tiếp cận cục bộ của DNA điều hòa.

Scope

Chủ đề này bao gồm những yếu tố quyết định vị trí của nucleosome dọc theo DNA, các vùng đặc trưng thiếu nucleosome tại các promoter hoạt động, động lực học mà nucleosome được lắp ráp, di chuyển và mất ổn định, cũng như các phương pháp gen được sử dụng để lập bản đồ định vị và khả năng tiếp cận. Đây là một mục tham khảo về tổ chức chromatin và không phải là hướng dẫn lâm sàng.

Core questions

• Điều gì quyết định vị trí của nucleosome dọc theo bộ gen?
• Tại sao các promoter hoạt động thường được bao quanh bởi các nucleosome có trật tự và một vùng thiếu nucleosome?
• Định vị nucleosome được đo lường trên toàn bộ bộ gen như thế nào, và nó tiết lộ điều gì về khả năng tiếp cận?

Key concepts

• Vùng thiếu nucleosome (NDR)
• Tổ chức nucleosome promoter (nucleosome +1)
• Định vị thống kê so với định vị theo trình tự
• Sự phân pha và sắp xếp nucleosome
• Sự luân chuyển và mất ổn định nucleosome
• Lập bản đồ MNase-seq và ATAC-seq

Key theories

Định vị thống kê xung quanh các rào cản cố định

Thay vì mỗi nucleosome được mã hóa trình tự độc lập, các dãy có trật tự thường phát sinh một cách thống kê: một rào cản cố định như một yếu tố gắn kết hoặc một vùng promoter thiếu nucleosome sẽ phân pha các nucleosome lân cận vào các vị trí đều đặn, một mô hình được hỗ trợ bởi việc lập bản đồ vị trí nucleosome trên quy mô bộ gen.

Mechanisms

Định vị nucleosome được định hình bởi một số yếu tố chồng chéo: khả năng uốn cong nội tại của trình tự DNA, sự gắn kết của các yếu tố phiên mã và bộ máy phiên mã chung, hoạt động của các bộ điều chỉnh phụ thuộc ATP làm trượt và sắp xếp nucleosome, và các ranh giới được thiết lập bởi các yếu tố cố định như vậy. Các promoter hoạt động thường hiển thị một vùng thiếu nucleosome ở phía thượng nguồn của vị trí bắt đầu phiên mã, được bao quanh bởi các nucleosome được định vị tốt, với nucleosome +1 đánh dấu sự bắt đầu của một dãy có trật tự ở phía hạ nguồn. Các vị trí này là động: nucleosome liên tục được lắp ráp trong quá trình sao chép, mất ổn định hoặc bị loại bỏ trong quá trình phiên mã, và được tái định vị bởi các bộ điều chỉnh, và sự luân chuyển nhanh chóng tại các vùng điều hòa giúp chúng dễ tiếp cận. Các bản đồ toàn bộ bộ gen được tạo ra bằng cách tiêu hóa chromatin bằng micrococcal nuclease, hoặc bằng cách lập hồ sơ chromatin mở bằng ATAC-seq dựa trên transposase, tiết lộ các vị trí này và cảnh quan khả năng tiếp cận.

Clinical relevance

Định vị nucleosome và lập hồ sơ khả năng tiếp cận là nền tảng cho các bản đồ yếu tố điều hòa trên các loại tế bào người và được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu cách điều hòa gen khác nhau giữa các mô khỏe mạnh và bị bệnh. Mục này mô tả tổ chức và đo lường nucleosome để tham khảo và không phải là cơ sở để chẩn đoán hoặc điều trị.

History

Mặc dù các nucleosome được định vị tốt riêng lẻ đã được biết đến từ trước, việc lập bản đồ quy mô bộ gen đã thay đổi lĩnh vực này vào giữa những năm 2000, khi các khảo sát độ phân giải cao ở nấm men đã định vị nucleosome trên toàn bộ bộ gen và tiết lộ tổ chức có trật tự xung quanh các promoter. Các bài đánh giá đã tích hợp những phát hiện này vào các mô hình định vị thống kê và định hướng yếu tố, và sự phát triển sau này của ATAC-seq dựa trên transposase đã làm cho việc lập hồ sơ chromatin mở và vị trí nucleosome trở nên nhanh chóng và ứng dụng rộng rãi.

Key figures

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

Seminal works

• yuan-2005
• jiang-2009

Frequently asked questions

Vùng thiếu nucleosome là gì?

Đó là một đoạn DNA, thường nằm ngay phía thượng nguồn của vị trí bắt đầu của một gen hoạt động, phần lớn không có nucleosome và do đó dễ tiếp cận với các yếu tố phiên mã và bộ máy phiên mã.

Định vị nucleosome được đo lường trên toàn bộ bộ gen như thế nào?

Các phương pháp phổ biến tiêu hóa chromatin bằng micrococcal nuclease để lập bản đồ DNA nucleosome được bảo vệ, hoặc sử dụng ATAC-seq dựa trên transposase để lập hồ sơ các vùng dễ tiếp cận, không có nucleosome, cả hai đều được đọc bằng giải trình tự thông lượng cao.