[論文レビュー] Binding of bivalent transcription factors to active and inactive regions folds human chromosomes into loops, rosettes and domains

Chris A. Brackley, James Johnson+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2015

Genomics and Chromatin Dynamics参考文献 56被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、適合パラメータを必要としない最小限のモデルを提案する。このモデルでは、赤と緑の二価転写因子が活性および不活性のクロマチン領域に特異的に結合し、ブリッジ誘導による引力によって、自発的にループ、ロゼット、トポロジカルドメインの形成を引き起こす。明示的な長距離力が存在しない状況でも、シミュレーションは実験的に観察されたHi-C接触マップ、ドメイン境界、および染色体の組織を再現し、一時的で特異的な結合が、あらゆるスケールで3次元ゲノムの折りたたみを駆動できることを示している。

ABSTRACT

Biophysicists are modeling conformations of interphase chromosomes, often basing the strengths of interactions between segments distant on the genetic map on contact frequencies determined experimentally. Here, instead, we develop a fitting-free, minimal model: bivalent red and green "transcription factors" bind to cognate sites in runs of beads ("chromatin") to form molecular bridges stabilizing loops. In the absence of additional explicit forces, molecular dynamic simulations reveal that bound "factors' spontaneously cluster -- red with red, green with green, but rarely red with green -- to give structures reminiscent of transcription factories. Binding of just two transcription factors (or proteins) to active and inactive regions of human chromosomes yields rosettes, topological domains, and contact maps much like those seen experimentally. This emergent "bridging-induced attraction" proves to be a robust, simple, and generic force able to organize interphase chromosomes at all scales.

研究の動機と目的

• ヒトインターフェーズ染色体における3次元ゲノム組織の背後にある物理的原理を理解すること。
• 適合パrameterを用いない一時的で特異的な二価転写因子の結合が、長距離力に依存せずに染色体の折りたたみを駆動できるかどうかを調査すること。
• このような結合が単独で、実験的に観察されたトポロジカルドメイン、接触マップ、境界形成を再現できるかどうかを同定すること。
• 転写因子のクラスタリングおよびクロマチン状態（活性／不活性）が3次元核アーキテクチャをどのように形作るかを探索すること。

提案手法

• 15-Mbpのクロマチン繊維（5,000個のビーズで表す30-nmクロマチン繊維）を対象とした粗視的な分子動力学モデルを用いる。
• 二価転写因子（赤および緑）がクロマチン繊維上の相同部位に一時的かつ特異的に結合し、分子ブリッジを形成することでループを安定化させる。
• LAMMPSを用いたブラウン運動シミュレーションにより拡散と結合を模擬し、遠く離れたセグメント間の事前定義された長距離引力は一切使用しない。
• 結合特異性は1次元ゲノム情報（活性または不活性クロマチン領域）に基づき、赤および緑の因子の結合部位を定義する。
• 接触マップおよび構造的特徴（例：ロゼット、ドメイン）をシミュレーションから抽出し、実験的Hi-Cデータと直接比較する。
• 境界検出には差分プロットと視覚的検査を用い、統計的有意性はランダムコントロールシミュレーションにより評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 明示的な長距離力が存在しない状況でも、二価転写因子の一時的で特異的な結合が、ヒト染色体においてトポロジカルドメインおよびロゼット様構造を生成できるか？
• RQ2 このモデルは、実験的に観察されたHi-C接触マップおよびドメイン境界をどの程度再現できるか？
• RQ3 赤および緑の因子のクラスタリング行動が、ループやドメインといった染色体構造の形成にどのように影響するか？
• RQ4 クロマチン状態（活性対不活性）が因子結合を通じて染色体の空間的組織をどのようにガイドするか？
• RQ5 ブリッジ誘導による引力メカニズムは、異なるゲノム領域およびシミュレーション条件下でもどれほど頑健か？

主な発見

• シミュレーションでは、実験的Hi-Cデータと類似した接触マップ、トポロジカルドメイン、およびロゼット様構造が自発的に形成された。
• モデルは100-kbpの閾値内において、既知のドメイン境界の80–90％を正しく予測しており、ランダムコントロール（p < 10−6）をはるかに上回っている。
• 境界は活性クロマチン（ピンクおよび薄緑のビーズ）で豊富に、不活性（グレー）ビーズで枯渇しており、実験的観察と一致している。
• 赤および緑の転写因子は別々にクラスタリング（赤同士、緑同士）し、それぞれ異なるハブを形成し、ループ構造を安定化させる。
• 局所的な接触が秩序立てて形成されていることは、fd値が低く（0.1–0.2）なることで確認され、安定でコンパクトな構造の存在を裏付けている。
• モデルは実験的Hi-Cデータに見られるような、対角成分から離れた遠隔接触ブロックを再現している。