[논문 리뷰] Extrinsic and intrinsic nucleosome positioning signals

Alexandre V. Morozov, Karissa Fortney외 4명|ArXiv.org|2008. 05. 27.

Genomics and Chromatin Dynamics참고 문헌 62인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 히스톤-DNA 상호작용과 전사 인자 경쟁의 영향을 구분하는 생물물리 모델을 제안한다. DNA 비틀림 에너지 모델과 히스톤-DNA 친화도를 조합하여, in vitro에서의 난세포 핵소체 형성과 in vivo에서의 위치를 정확하게 예측하며, 기능적 전사 인자 결합 부위가 난세포 상태에서는 핵소체에 의해 커버되어 있지만, 협동적 결합으로 인해 in vivo에서는 이동된다는 점을 보여주어 오랫동안 지속된 염색체 조직의 모순을 해결한다.

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.

연구 동기 및 목표

• DNA 서열과 경쟁하는 DNA 결합 단백질이 함께 핵소체 위치를 어떻게 결정하는지를 정량적으로 설명하는 물리적으로 타당한 모델을 개발하는 것.
• 단순히 서열에 기반한 in vitro 핵소체 위치와, 핵소체가 기능적 전사 인자 결합 부위에서 자주 이동된 것으로 관찰되는 in vivo 관측 사이의 모순을 해결하는 것.
• 모델을 in vitro에서의 핵소체 형성 자유 에너지와 결정 구조에 대해 검증하고, S. cerevisiae의 전장 유전체적 in vivo 데이터와 비교하여 예측을 테스트하는 것.
• in vivo에서 핵소체 위치를 결정하는 데 있어 내재된 서열 선호도와 외재적 전사 인자와의 경쟁 중 어느 것이 더 지배적인지를 규명하는 것.
• TATA 결합 단백질이 코어 프로모터 영역에서 핵소체 부재를 어떻게 조절하는지 평가하는 것.

제안 방법

• 모델은 서열 의존적 DNA 비틀림 에너지와 서열 무관한 히스톤-DNA 상호작용 에너지의 합으로 핵소체 형성 에너지를 계산한다.
• DNA 비틀림 에너지는 101개의 비동일한 단백질-DNA 결정 구조를 기반으로 한 2차 포텐셜에서 유도되며, 각 이뉴클레오티드 쌍에 대해 6개의 기하학적 자유도(상승, 이동, 슬라이드, 휘감기, 굽힘, 기울기)를 사용한다.
• 탄성 힘 상수는 기하학적 이격의 공분산 행렬에서 유추되며, 강하게 비틀린 이뉴클레오티드는 2차 행동을 보장하기 위해 제외된다.
• 히스톤-DNA 포텐셜은 이상적인 슈퍼나선 중심에 위치한 조화 진동우물로 모델링되며, 핵소체 결정 구조(1.8개의 슈퍼나선 회전, 반지름 4.45 nm)에서 유도된 파라미터를 사용한다.
• 전체 에너지를 최소화하여 핵소체 위치를 예측하며, 선형 시스템을 통해 해결하여 배경 서열 없이 전장 유전체적 적용이 가능하다.
• 전사 인자와의 경쟁은 가중치 행렬에서 유도된 결합 에너지를 에너지 최소화에 추가하여 in vivo 이동을 시뮬레이션한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 in vivo에서 핵소체 위치를 결정하는 데 있어 내재된 DNA 서열 선호도와 외재적 전사 인자와의 경쟁 중 어느 것이 더 기여하는가?
• RQ2 DNA 비틀림 에너지와 히스톤-DNA 상호작용에 기반한 생물물리 모델이 핵소체 형성 자유 에너지와 결정 구조 기하학을 정량적으로 예측할 수 있는가?
• RQ3 기능적 전사 인자 결합 부위는 난세포 상태에서 히스톤 결합 능력이 낮음에도 불구하고 왜 in vivo에서 핵소체 부재가 자주 관찰되는가?
• RQ4 TATA 결합 단백질이 존재할 경우, 코어 프로모터 영역에서 핵소체 점유도는 어떻게 변화하는가? 난세포 상태에서는 약한 부재가 관찰되지만, 실제로는 어떻게 되는가?
• RQ5 경쟁하는 전사 인자들을 모델에 포함했을 때 핵소체 위치 예측의 정확도가 얼마나 향상되는가?

주요 결과

• 모델은 in vitro에서의 핵소체 형성 자유 에너지를 성공적으로 예측하고, 높은 정확도로 핵소체 결정 구조를 재현하여 생물물리적 기반을 검증한다.
• 모델은 강한 및 약한 히스톤 결합 서열을 모두 처음부터 정확히 설계할 수 있어, 서열 의존적 핵소체 친화도에 대한 예측 능력을 확인한다.
• S. cerevisiae에서 in vivo에서 가장 강한 핵소체 위치 신호는 내재된 서열 선호도가 아니라 다른 DNA 결합 인자와의 경쟁에서 기인한다.
• 기능적 전사 인자 결합 부위는 난세포 상태에서는 핵소체에 의해 내재적으로 커버되어 있지만, 협동적 결합으로 인해 in vivo에서는 노출된다. 이는 관찰된 가용성의 원인을 설명한다.
• TATA 영역에서 내재된 핵소체 부재가 약하지만, TATA 결합 단백질을 포함하면 강한 부재로 변화하며, 실험 결과와 정량적으로 일치한다.
• 특정 유전자 위치(예: HMLα, HMRa, HIS3-PET56)에서, 경쟁 전사 인자들을 포함시켰을 때 예측 정확도가 크게 향상되었으며, 핵소체가 없는 갭 영역이 실험적으로 맵핑된 TF 점유도와 정렬된다.