[논문 리뷰] Organization of fast and slow chromatin revealed by single-nucleosome dynamics

Sarah Ashwin, Tadasu Nozaki외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 16.

Genomics and Chromatin Dynamics참고 문헌 65인용 수 108

한 줄 요약

이 연구는 살아있는 인간 세포에서 염색체가 단일 뉴클레오좀 추적 및 통계 분석을 통해 동적으로 상관관계가 있는 빠른 및 느린 뉴클레오좀 도메인으로 조직화됨을 밝혀냈다. 평균 제곱 이동거리(MSD) 분포를 분석함으로써 저자들은 이중성 동역학을 확인하였고, 최소한의 고분자 모델은 뉴클레오좀-뉴클레오좀 상호작용과 염색체 고정이 함께 작용하여 유체처럼 움직이는 도메인을 형성함을 확인하여 살아있는 세포에서 염색체 조직의 기계적 기반을 제공한다.

ABSTRACT

Understanding chromatin organization and dynamics is important since they crucially affect DNA functions. In this study, we investigate chromatin dynamics by statistically analyzing single-nucleosome movement in living human cells. Bi-modal nature of the mean squared displacement distribution of nucleosomes allows for a natural categorization of the nucleosomes as fast and slow. Analyses of the nucleosome-nucleosome correlation functions within these categories along with the density of vibrational modes show that the nucleosomes form dynamically correlated fluid regions, i.e., dynamic domains of fast and slow nucleosomes. Perturbed nucleosome dynamics by global histone acetylation or cohesin inactivation indicate that nucleosome-nucleosome interactions along with tethering of chromatin chains organize nucleosomes into fast and slow dynamic domains. A simple polymer model is introduced, which shows the consistency of this dynamic domain picture. Statistical analyses of single-nucleosome movement provide rich information on how chromatin is dynamically organized in a fluid manner in living cells.

연구 동기 및 목표

• 살아있는 인간 세포에서 염색체의 동적 조직을 이해하고, 특히 염색체 도메인이 진동하고 유전자 조절에 미치는 영향을 파악하기 위해.
• 기능적으로 중요한데도 불구하고 구조적으로 변화가 있는 염색체 도메인의 역설을 실시간 뉴클레오좀 동역학을 분석함으로써 해결하기 위해.
• 이질적인 뉴클레오좀 이동이 서로 다른 동적 상태(빠른/느린)를 반영하며, 그 배경에 있는 조직 원리가 무엇인지 규명하기 위해.
• 뉴클레오좀-뉴클레오좀 상호작용과 염색체 고정이 동적 도메인 형성의 핵심 추진력임을 조작 실험과 모델링을 통해 검증하기 위해.
• 관측된 단일 뉴클레오좀 동역학을 재현하고 동적 도메인 가설을 검증하는 최소한의 고분자 모델을 개발하기 위해.

제안 방법

• CRISPR/dCas9 기반 표지법을 사용하여 살아있는 세포 영상 데이터(HeLa 세포, 약 200–250 nm 핵 두께)에서 단일 뉴클레오좀 궤적을 추출하였다.
• 노이즈가 있는 실험 데이터에서 리처드슨-루크리(Reconstruction-Lucy, RL) 탈컨volution 알고리즘을 사용하여 평균 제곱 이동거리(MSD) 분포 P(M,t)를 복원하여 매끄러운 분포를 회복하였다.
• 자기 부분의 반 허브 상관함수 Gs(r,t)를 계산하고, 이를 가우시안 기저 함수로 전개하여 Gs(r,t) = ∫P(M,t)q(r,M)dM 방식으로 P(M,t)를 모델링하였다.
• t = 0.5 s에서 MSD 분포의 이중성 피크를 기반으로 뉴클레오좀을 빠른(높은 MSD) 및 느린(낮은 MSD)으로 분류하였으며, M*는 피크 사이의 최소값으로 정의되었다.
• 빠른 및 느린 범주 내에서 뉴클레오좀 이동의 자가 및 쌍상관함수를 계산하여 동적으로 상관관계가 있는 영역을 식별하였다.
• Langevin 동역학과 Lennard-Jones 포텐셜을 사용하여 상호작용 강도(εI, εII)와 고정 조건을 다양하게 조절한 두 개의 고리 도메인(I 및 II)을 가진 최소한의 베드-스프링 고분자 모델을 사용하여 염색체 동역학을 시뮬레이션하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 살아있는 인간 세포에서 단일 뉴클레오좀 이동은 빠르거나 느리게 분류할 수 있는 이중성 동역학을 보이며, 그 특성이 존재하는가?
• RQ2 빠른 및 느린 뉴클레오좀은 동적으로 상관관계가 있는 도메인으로 조직되며, 이러한 상관관계의 공간적·시간적 성격은 어떠한가?
• RQ3 뉴클레오좀-뉴클레오좀 상호작용과 염색체 고정은 빠르고 느린 동적 도메인 형성에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 다양한 상호작용 및 고정 조건에서 관측된 이중성 MSD 분포와 동적 도메인 행동을 재현할 수 있는 최소한의 고분자 모델이 존재하는가?
• RQ5 염색체 기하학적 형태(예: 뭉친 것 대비 열린 것, 핵심 대비 표면)는 뉴클레오좀 이동성과 도메인 정체성 결정에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• t = 0.5 s에서 단일 뉴클레오좀의 MSD 분포는 뚜렷한 이중 피크를 보이며, 자연스럽게 빠른(높은 MSD) 및 느린(낮은 MSD) 뉴클레오좀으로 분류할 수 있다.
• 빠른 및 느린 뉴클레오좀은 동적으로 상관관계가 있는 유체처럼 움직이는 도메인을 형성하며, 이들의 이동에 대해 상당한 공간적·시간적 상관관계가 존재한다.
• 전반적 히스톤 아세틸화 또는 코hesin 비활성화와 같은 조작은 뉴클레오좀 동역학을 교란시키며, 히스톤 수정 및 구조 단백질이 도메인 조직의 핵심 조절자임을 시사한다.
• 최소한의 고분자 모델은 이중성 MSD 분포를 성공적으로 재현하였고, 도메인 이동성은 국소 상호작용 강도(εI, εII)와 고정 위치에 의해 영향을 받음을 보여주었다: 외부에서 고정된 뭉친 도메인은 빠를 수 있으며, 열린 도메인은 항상 빠르게 움직인다.
• 두 개의 뭉친 고리 도메인이 융합되면 그 운동이 상관관계를 가지며, 반경의 회전반경이 증가한 하나의 큰 느린 도메인을 형성한다.
• 모델은 국소 상호작용, 염색체 기하학, 고정이 함께 작용하여 관측된 동적 도메인 조직을 생성함을 보여주며, 단일 메커니즘이 독립적으로는 충분하지 않음을 입증한다.