[논문 리뷰] How enzymatic activity is involved in chromatin organization

Rakesh Das, Takahiro Sakaue외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 20.

Genomics and Chromatin Dynamics인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 토포이소머라제 II (Topo-II) 효소 활성이 새로운 메커니즘을 통해 이소크로마틴의 상분리, 즉 이horescence (EC) 및 헤테로크로마틴 (HC) 영역으로의 분리를 유도한다고 제안한다: 효소가 일시적으로 DNA 세그먼트가 서로를 관통하도록 허용함으로써 그들의 환상적 성질을 효과적으로 증가시키는 능력 때문이다. 고분자 물리 모델을 사용하여 저자들은 Topo-II가 EC 영역에 고유한 '벽 같은' 조직을 유도하며, 이 상분리는 양방향 비균일 조건에서도 지속됨을 보여주며, 이는 효소 활성이 염색체 구조 형성의 핵심 비열역학적 원동력임을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 열역학적 영향을 초월하여 토포이소머라제 II (Topo-II)의 기계적 활성이 인터phase 염색체 조직에 미치는 영향을 조사하는 것.
• Topo-II의 효소 기능이 친화력 기반 상분리와 독립적으로 염색체에서 미세상분리(MPS)를 유도할 수 있는지 확인하는 것.
• 다양한 에피제네틱 클러스터 크기를 반영하는 이원형 조건에서 Topo-II에 의한 염색체 조직의 강건성을 탐색하는 것.
• Topo-II에 의한 염색체 분할의 물리적 메커니즘, 특히 세그먼트 관통의 역할을 규명하는 것.
• 이론적 모델을 이horescence 및 헤테로크로마틴 단위의 구조적 상태에 대한 실험 관측 결과와 비교 검증하는 것.

제안 방법

• 구형 공동(1.4112 µm 직경)에 봉인된 염색체(50.807 Mbp)의 3차원 활성 고분자 모델을 개발하여 A 및 B 비드가 각각 이horescence 및 헤테로크로마틴 영역을 나타내도록 하였다.
• Topo-II 활성을 모델링하기 위해 일시적이고 가역적인 고분자 세그먼트의 관통을 허용하여, 효소가 한 DNA 이중사슬을 다른 것으로 뚫고 지나가게 하는 능력을 시뮬레이션하였다.
• 효소 작용과 염색체 응집도를 반영하도록 캘리브레이션된 파arameters를 사용하여 메트로폴리스-한팅스 알고리즘을 적용한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 평형 상태 구성의 표본을 추출하였다.
• 자유 에너지 밀도를 분석적으로 유도하기 위해 평균장 격자 모델을 적용하였으며, 이는 헤테로크로마틴 부피 분율 ΦB 및 상호작용 강도 ϵ에 따라 변화하는 임계 듀엣 분율 α*를 식별하였다.
• 상분리를 정량화하기 위해 순서 매개변수 ∆φ와 그 통계적 모멘트(바인더 누산량, 왜도)를 사용하였으며, 격자 기반 밀도 및 네마틱 질서 매개변수를 통해 공간적 이질성을 분석하였다.
• OVITO를 사용하여 B-비드(HC 영역)의 군집 분석을 수행하고, 자이로이드 텐서와 이방성 κ²를 통해 그 크기와 형태를 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Topo-II 효소 활성이 친화력 기반 또는 염기서열 특이적 상호작용 없이도 염색체에서 미세상분리를 유도할 수 있는가?
• RQ2 Topo-II 활성이 염색체를 이horescence 및 헤테로크로마틴 영역으로 분할하는 데 작용하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 이horescence 영역의 특징적인 '벽 같은' 조직이, 다양한 클러스터 크기를 가진 이원형 모델(즉, 변동 가능한 클러스터 크기)에서 유지되는가?
• RQ4 Topo-II의 효소 활성, 즉 일시적인 세그먼트 관통을 통해 비평형 고분자 시스템에서 효과적인 상분리가 어떻게 발생하는가?
• RQ5 시스템의 조직 형성은 얼마나 효소 활성에 의존하는가, 또는 수동적인 열역학적 힘에 의해 결정되는가?

주요 결과

• Topo-II 활성이 염색체에서 미세상분리를 유도하며, 이horescence (EC) 및 헤테로크로마틴 (HC) 영역이 명확히 분리되는 결과를 낳는다. 이는 EC 세그먼트 간에 명시적인 친화력이 없더라도 가능하다.
• 이 모델은 새로운 메커니즘을 드러내며, Topo-II에 의해 일시적인 관통이 발생함으로써 고분자 세그먼트의 효과적 환상성(phantomness)이 상분리를 유도하며, 이는 단지 열역학적 비균일성 때문이 아니라는 점이다.
• 특징적인 '벽 같은' 조직이 이horescence 영역에 나타나며, 이는 이전의 친화력 기반 또는 온도 비균일성 모델에서는 관찰되지 않았다.
• 이상적인 이원형 조건에서도 상분리가 지속되며, 이는 EC 및 HC 영역이 다양한 크기의 클러스터를 형성하기 때문에, 효소 기반 메커니즘이 강건함을 시사한다.
• 평균장 분석을 통해 헤테로크로마틴 부피 분율 ΦB 및 상호작용 강도 ϵ에 따라 변화하는 임계 듀엣 분율 α*를 규명하였으며, 이는 상분리 상태의 안정성을 확인한다.
• 네마틱 질서 매개변수 분석 결과, 효소 활성이 AA 결합(이horescence)에서 局부 질서를 유도하며, 특히 내부 영역에서 두드러지게 나타나며, 공동 표면 근처에서는 표면 효과가 지배적임을 보여준다.