[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出了一种生物物理模型，可区分DNA序列的内在效应与转录因子的外在竞争对核小体重塑的影响。通过结合序列依赖的DNA弯曲能模型与组蛋白-DNA亲和力，该模型准确预测了体外核小体形成与体内定位，表明功能性转录因子结合位点在裸DNA中通常被核小体覆盖，但在体内由于协同结合而被移除，从而解决了长期存在的染色质组织矛盾。

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.

研究动机与目标

• 开发一个基于物理原理的模型，量化DNA序列与竞争性DNA结合因子如何共同决定核小体位置。
• 解决仅基于序列的体外核小体重塑与体内观察之间的矛盾，即核小体常从功能性转录因子结合位点被移除。
• 将模型与体外核小体形成自由能及晶体结构进行验证，并利用酿酒酵母（S. cerevisiae）的全基因组体内数据检验预测结果。
• 确定在体内核小体重塑中，内在序列偏好性还是外在转录因子竞争占主导地位。
• 评估TATA结合蛋白在调节核心启动子区域核小体缺失中的作用。

提出的方法

• 模型将核小体形成能计算为序列依赖的DNA弯曲能与序列无关的组蛋白-DNA亲和力能之和。
• DNA弯曲能基于101个非同源蛋白-DNA晶体结构拟合的二次势能，每个二核苷酸使用六个几何自由度（上升、偏移、滑动、扭转、滚动、倾斜）。
• 弹性力常数由几何偏差的协方差矩阵推导得出，排除强弯曲二核苷酸以确保行为呈二次型。
• 组蛋白-DNA势能建模为以理想超螺旋为中心的谐振阱，参数来自核小体晶体结构（1.8个超螺旋圈，半径4.45 nm）。
• 通过求解线性系统最小化总能量来预测核小体位置，实现无需背景序列的全基因组应用。
• 通过将转录因子的结合能（来自权重矩阵）加入能量最小化过程，模拟其在体内的竞争与移除。

实验结果

研究问题

• RQ1 在体内核小体重塑中，内在DNA序列偏好性与外在转录因子竞争的相对贡献是什么？
• RQ2 基于DNA弯曲能与组蛋白-DNA亲和力的生物物理模型能否定量预测核小体形成自由能与晶体结构几何构型？
• RQ3 为何功能性转录因子结合位点在体内常表现为核小体缺失，尽管在裸DNA中其组蛋白亲和力较弱？
• RQ4 给定裸DNA中TATA区域的核小体缺失本就微弱，TATA结合蛋白的存在如何改变其核小体占据状态？
• RQ5 当在模型中引入竞争性转录因子后，核小体位置预测的改进程度如何？

主要发现

• 该模型成功预测了体外核小体形成自由能，并以高精度再现了核小体晶体结构，验证了其生物物理基础。
• 该模型能够从头设计强与弱组蛋白结合序列，确认了其对序列依赖性核小体亲和力的预测能力。
• 在酿酒酵母（S. cerevisiae）中，体内最强的核小体重塑信号源于与其他DNA结合因子的竞争，而非内在序列偏好性。
• 功能性转录因子结合位点在裸DNA中固有地被核小体覆盖，但在体内由于协同结合而被暴露，解释了其观察到的可及性。
• 当引入TATA结合蛋白后，TATA区域原本微弱的内在核小体缺失转变为显著缺失，与实验数据定量一致。
• 在特定位点（如HMLα、HMRa、HIS3-PET56）的预测中，当引入竞争性转录因子后，预测显著改善，核小体缺失区与实验测得的转录因子占据区域高度吻合。