[論文レビュー] Extrinsic and intrinsic nucleosome positioning signals

Alexandre V. Morozov, Karissa Fortney+4 more|ArXiv.org|May 27, 2008

Genomics and Chromatin Dynamics参考文献 62被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、ヌクレオソーム配置における内在的DNA配列効果と転写因子による外的競合を区別する生物理的モデルを提案する。DNAの曲げエネルギーとヒストン-DNA間の引力を組み合わせることで、in vitroにおけるヌクレオソーム形成とin vivoにおける配置を正確に予測し、機能的転写因子結合部位がヌードDNAではヌクレオソームに覆われているが、協同的結合によってin vivoでは駆逐されるため、長年の染色体構造に関する矛盾が解消される。

ABSTRACT

In eukaryotic genomes, nucleosomes function to compact DNA and to regulate access to it both by simple physical occlusion and by providing the substrate for numerous covalent epigenetic tags. While nucleosome positions in vitro are determined by sequence alone, in vivo competition with other DNA-binding factors and action of chromatin remodeling enzymes play a role that needs to be quantified. We developed a biophysical model for the sequence dependence of DNA bending energies, and validated it against a collection of in vitro free energies of nucleosome formation and a nucleosome crystal structure; we also successfully designed both strong and poor histone binding sequences ab initio. For in vivo data from S.cerevisiae, the strongest positioning signal came from the competition with other factors. Based on sequence alone, our model predicts that functional transcription factor binding sites have a tendency to be covered by nucleosomes, but are uncovered in vivo because functional sites cluster within a single nucleosome footprint, making transcription factors bind cooperatively. Similarly a weak enhancement of nucleosome binding in the TATA region for naked DNA becomes a strong depletion when the TATA-binding protein is included, in quantitative agreement with experiment. Predictions at specific loci were also greatly enhanced by including competing factors. Our physically grounded model distinguishes multiple ways in which genomic sequence can influence nucleosome positions and thus provides an alternative explanation for several important experimental findings.

研究の動機と目的

• DNA配列と競合するDNA結合因子が共同してヌクレオソーム位置をどのように決定するかを物理的に根拠づけた定量的モデルを開発すること。
• DNA配列のみに基づくin vitroにおけるヌクレオソーム配置と、機能的転写因子結合部位が頻繁にヌクレオソームから除外されるin vivo観察との間の矛盾を解消すること。
• モデルをin vitroにおけるヌクレオソーム形成の自由エネルギーと結晶構造に対して検証し、S. cerevisiaeのゲノムワイドin vivoデータに対して予測をテストすること。
• in vivoにおけるヌクレオソーム配置において、内在的配列選好性と転写因子との外的競合のどちらが支配的であるかを特定すること。
• TATA結合タンパク質がコアプロモーター領域におけるヌクレオソーム欠損をどのように調節するかを評価すること。

提案手法

• モデルは、配列依存的DNA曲げエネルギーと配列非依存的ヒストン-DNA引力エネルギーの和としてヌクレオソーム形成エネルギーを計算する。
• DNA曲げエネルギーは、101個の相同でないタンパク質-DNA結晶構造にフィットした二次関数的ポテンシャルから導出され、1つの二ヌクレオチドあたり6つの幾何的自由度（上昇、シフト、スライド、ねじれ、ロール、チルト）を用いる。
• 弾性定数は幾何的ずれの共分散行列から推定され、強く曲げられた二ヌクレオチドは二次的挙動を保証するため除外される。
• ヒストン-DNAポテンシャルは、ヌクレオソーム結晶構造（1.8サブヘリカルターン、4.45 nm半径）から得られたパラメータを持つ調和的井戸としてモデル化される。
• 全エネルギーを最小化することでヌクレオソーム位置を予測し、線形方程式系を解くことで、バックグラウンド配列を必要とせずにゲノムスケールに応用可能である。
• 転写因子との競合は、重み行列から得た結合エネルギーをエネルギー最小化に加算することでモデル化され、in vivoにおける駆逐を模擬する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 in vivoにおけるヌクレオソーム配置に、内在的DNA配列選好性と外的転写因子競合の相対的寄与はそれぞれどの程度か？
• RQ2 DNA曲げエネルギーとヒストン-DNA引力に基づく生物理的モデルが、ヌクレオソーム形成の自由エネルギーと結晶構造幾何学を定量的に予測できるか？
• RQ3 機能的転写因子結合部位は、ヌードDNAではヒストン結合が弱いにもかかわらず、なぜin vivoでは頻繁にヌクレオソームが欠損しているのか？
• RQ4 TATA結合タンパク質が存在する場合、ヌードDNAでは弱い欠損を示すTATA領域におけるヌクレオソーム占有がどのように変化するのか？
• RQ5 競合する転写因子をモデルに組み込むことで、ヌクレオソーム位置の予測精度がどの程度向上するか？

主な発見

• モデルはin vitroにおけるヌクレオソーム形成の自由エネルギーを正確に予測し、結晶構造を高い精度で再現し、その生物理的基盤が妥当であることを検証した。
• モデルは、強力なヒストン結合配列と弱いヒストン結合配列の両方を、初期から正確に設計でき、配列依存的ヌクレオソームアフィニティの予測能力を確認した。
• S. cerevisiaeにおいて、in vivoで最も強いヌクレオソーム配置信号は、内在的配列選好性ではなく、他のDNA結合因子との競合に起因している。
• 機能的転写因子結合部位は、ヌードDNAでは内在的にヌクレオソームに覆われているが、in vivoでは協同的結合によって露出しており、その可視性が説明される。
• TATA結合タンパク質を含めると、ヌードDNAでは弱いヌクレオソーム欠損が強く現れ、実験データと定量的に整合する。
• 特定の遺伝子座（例：HMLα、HMRa、HIS3-PET56）における予測は、競合する転写因子を含めることで顕著に改善され、ヌクレオソームフリーのギャップが実験的にマップされたTF占有と一致した。