[論文レビュー] How enzymatic activity is involved in chromatin organization

Rakesh Das, Takahiro Sakaue+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2021

Genomics and Chromatin Dynamics被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、トポイソメラーゼII（Topo-II）の酵素的活性が、一時的かつ一時的にDNA断片が交差することにより、それらの擬似粒子的性質を高めることで、ヘテロクロマチン（HC）とエウクロマチン（EC）領域に染色質の相分離を引き起こす、新しいメカニズムを提案する。ポリマー物理学モデルを用いて、著者らはEC領域に特徴的な「壁状」の組織が形成されることを示し、この相分離は二分散条件でも持続することを示し、酵素的活性が染色質構造の非熱力学的駆動要因であることを強調している。

ABSTRACT

Spatial organization of chromatin plays a critical role in genome regulation. Various types of affinity mediators and enzymes have been attributed to regulate spatial organization of chromatin from a thermodynamics perspective. However, at the mechanistic level, enzymes act in their unique ways. Here, we construct a polymer physics model following the mechanistic scheme of Topoisomerase-II, an enzyme resolving topological constraints of chromatin, and investigate its role on interphase chromatin organization. Our computer simulations demonstrate Topoisomerase-II's ability to phase separate chromatin into eu- and heterochromatic regions with a characteristic wall-like organization of the euchromatic regions. Exploiting a mean-field framework, we argue that the ability of the euchromatic regions crossing each other due to enzymatic activity of Topoisomerase-II induces this phase separation. Motivated from a recent experimental observation on different structural states of the eu- and the heterochromatic units, we further extend our model to a bidisperse setting and show that the characteristic features of the enzymatic activity driven phase separation survives there. The existence of these characteristic features, even under the non-localized action of the enzyme, highlights the critical role of enzymatic activity in chromatin organization, and points out the importance of further experiments along this line.

研究の動機と目的

• トポイソメラーゼII（Topo-II）の機構的活性が、熱力学的効果を超えてインターフェーズ染色質組織に与える影響を調査すること。
• Topo-IIの酵素的機能が、アフィニティに基づく相分離とは独立して、染色質におけるマイクロフェーズ分離（MPS）を駆動できるかどうかを特定すること。
• 変動するエピジェネティッククラスターサイズを模倣する二分散条件における、Topo-II誘発染色質組織の頑健性を調査すること。
• Topo-II誘発染色質コンpartiment化の背後にある物理的メカニズムを特定すること、特にセグメント交差の役割を特定すること。
• エウクロマチンおよびヘテロクロマチンユニットにおける明確な構造的状態の実験的観察と、モデルを照合すること。

提案手法

• 球状キャビティ（1.4112 µm 直径）に閉じ込められた染色質の3次元アクティブポリマー・モデル（50.807 Mbp）を構築し、AビーズとBビーズをそれぞれエウクロマチンおよびヘテロクロマチン領域として表した。
• Topo-IIの活性を、一時的かつ可逆的なポリマー鎖の交差を許容することでモデル化し、酵素が1つのDNA二重鎖を他方の通過を可能にする能力を再現した。
• メトロポリス＝ハスティングス法を用いたモンテカルロシミュレーションにより、平衡状態の配置をサンプリングし、酵素的反応および染色質の収縮を反映するようにパラメータを調整した。
• 平均場格子モデルを用いて自由エネルギー密度を解析的に導出し、ヘテロクロマチン体積分率ΦBおよび相互作用強度ϵの関数として、臨界ダブルト分数α*を特定した。
• 秩序パラメータ∆φおよびその統計的モーメント（バインダー級数、歪度）を用いて相分離を定量し、グリッドベースの密度およびネマチック秩序パラメータを用いて空間的不均一性を分析した。
• OVITOを用いてBビーズ（HC領域）のクラスターレベル分析を実施し、回転テンソルおよび異方性κ²を用いてそのサイズと形状を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Topo-IIの酵素的活性のみで、配列特異的またはエピジェネティックアフィニティに依存せずに、染色質におけるマイクロフェーズ分離を誘発できるか？
• RQ2 Topo-IIの活性が、エウクロマチンおよびヘテロクロマチン領域に分離する染色質コンパートメント化をどのように引き起こす物理的メカニズムがあるか？
• RQ3 エウクロマチン領域の特徴的な「壁状」組織は、染色質が二分散（すなわち、変動するクラスターサイズを有する）としてモデル化された場合にも維持されるか？
• RQ4 Topo-IIの酵素的活性が、一時的なセグメント交差を通じて、非平衡ポリマー系において効果的な相分離をどのように引き起こすか？
• RQ5 この系の組織は、酵素的活性に依存する程度が高く、それに対して熱力学的力に依存する程度はどの程度か？

主な発見

• Topo-IIの活性は、ECセグメント間に明確なアフィニティが存在しない状況でも、明確に分離されたエウクロマチン（EC）およびヘテロクロマチン（HC）領域を誘発するマイクロフェーズ分離を引き起こす。
• 本モデルは、新しいメカニズムを明らかにした：Topo-IIによる一時的交差によって生じるポリマー鎖の有効なフィンガープリンティング（擬似粒子的性質）が、相分離を引き起こす主な要因であり、単なる熱力学的不均一性ではない。
• エウクロマチン領域に特徴的な「壁状」の組織が出現し、これは以前のアフィニティ駆動型または温度不均一性モデルでは観察されなかった特徴である。
• 二分散条件下でも相分離が持続し、ECおよびHC領域がサイズの異なるクラスターを形成することから、酵素的メカニズムの頑健性が示された。
• 平均場解析により、ヘテロクロマチン体積分率ΦBおよび相互作用強度ϵの関数としての臨界ダブルト分数α*が特定され、相分離状態の安定性が裏付けられた。
• ネマチック秩序パラメータ解析により、酵素的活性がAA結合（エウクロマチン）に局所的な秩序を誘発することが判明し、特に内部領域で顕著であった。一方、キャビティ境界付近では表面効果が支配的であった。