[论文解读] 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 2

一句话总结

本研究提出，拓扑异构酶 II（Topo-II）的酶活性通过一种新机制驱动染色质相分离，形成常染色质（EC）和异染色质（HC）区域：该酶能够瞬时允许DNA片段相互交叉，从而有效增强其类虚幻（phantom-like）特性。通过聚合物物理模型，作者证明Topo-II诱导出一种独特的‘墙状’常染色质组织结构，且这种相分离在双分散条件下依然持续，凸显了酶活性作为染色质结构中关键的非热力学驱动力。

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.

研究动机与目标

• 研究拓扑异构酶 II（Topo-II）的机制性活性如何在超越热力学效应的基础上影响间期染色质组织。
• 确定Topo-II的酶功能是否能独立于亲和力驱动的相分离，诱导染色质中的微相分离（MPS）。
• 探究在模拟可变表观遗传簇大小的双分散条件下，Topo-II诱导的染色质组织的鲁棒性。
• 识别Topo-II驱动染色质区隔化的物理机制，特别是片段交叉的作用。
• 将模型与实验观察结果进行验证，以识别常染色质和异染色质单元中不同的结构状态。

提出的方法

• 构建了一个三维活性聚合物模型（50.807 Mbp）的染色质，受限于直径为1.4112 µm的球形腔体，其中A和B珠子分别代表常染色质和异染色质区域。
• 通过允许聚合物片段瞬时、可逆地交叉，模拟酶将一个DNA双螺旋穿过另一个的能力，来建模Topo-II活性。
• 使用马尔可夫链蒙特卡洛模拟结合Metropolis-Hastings算法采样平衡构型，并调整参数以反映酶促作用和染色质压缩。
• 应用平均场格点模型，解析推导吉布斯自由能密度，并确定临界双体分数α*作为异染色质体积分数ΦB和相互作用强度ϵ的函数。
• 通过序参量∆φ及其统计矩（Binder矩、偏度）量化相分离，并通过基于网格的密度和列维-尼曼（nematic）序参量分析空间异质性。
• 使用OVITO对B珠子（HC区域）进行聚类分析，以识别异染色质焦点，并通过回转半径张量和各向异性κ²计算其尺寸和形状。

实验结果

研究问题

• RQ1 Topo-II酶活性是否能单独诱导染色质中的微相分离，而无需依赖序列特异性或表观遗传亲和力？
• RQ2 Topo-II活性通过何种物理机制导致染色质区隔化为常染色质和异染色质区域？
• RQ3 当染色质被建模为双分散体系（即具有可变簇大小）时，常染色质区域特有的‘墙状’组织结构是否依然存在？
• RQ4 Topo-II通过瞬时片段交叉的酶活性，如何在非平衡聚合物系统中导致有效相分离？
• RQ5 系统的组织结构在多大程度上依赖于酶活性，而非被动的热力学力？

主要发现

• Topo-II活性可在无EC片段之间显式亲和力的情况下，诱导染色质中的微相分离，形成明显的常染色质（EC）和异染色质（HC）区域。
• 该模型揭示了一种新机制：由于Topo-II介导的瞬时交叉，聚合物片段表现出增强的有效类虚幻性，从而驱动相分离，而不仅仅是热力学不均一性所致。
• 一种特有的‘墙状’常染色质组织结构浮现，这是以往基于亲和力或温度不均一性的模型中未观察到的特征。
• 在双分散条件下，相分离依然持续，EC和HC区域形成不同大小的簇，表明该酶促机制具有高度鲁棒性。
• 平均场分析确定了临界双体分数α*，其依赖于异染色质体积分数ΦB和相互作用强度ϵ，证实了相分离态的稳定性。
• 列维-尼曼序参量分析表明，酶活性在AA键（常染色质）中诱导了局部有序，尤其在内部区域更为显著，而靠近腔体边界时则以表面效应为主导。