Когезин и CTCF контролируют динамику сворачивания хромосом.

Jun 12, 2023

Nature Genetics, том 54, страницы 1907–1918 (2022 г.) Процитировать эту статью

12 тысяч доступов

26 цитат

92 Альтметрика

Подробности о метриках

У млекопитающих взаимодействия между последовательностями внутри топологически ассоциированных доменов позволяют контролировать экспрессию генов на больших геномных расстояниях. Однако неизвестно, как часто происходят такие контакты, как долго они длятся и как они зависят от динамики сворачивания хромосом и активности экструзии петель когезина. Отображая хромосомные местоположения с высоким пространственным и временным разрешением в живых клетках, мы показываем, что взаимодействия внутри топологически связанных доменов являются временными и часто происходят в течение клеточного цикла. Взаимодействия становятся более частыми и продолжительными при наличии конвергентных сайтов CTCF, что приводит к подавлению изменчивости сворачивания хромосом во времени. Наши данные, подтвержденные физическими моделями динамики хромосом, показывают, что петли, закрепленные CTCF, длятся около 10 минут. Наши результаты показывают, что регуляция транскрипции на большие расстояния может зависеть от временной физической близости и что cohesin и CTCF стабилизируют высокодинамичные структуры хромосом, облегчая выбранные подмножества хромосомных взаимодействий.

В клетках млекопитающих взаимодействия между хромосомными последовательностями играют важную роль в фундаментальных процессах, таких как репликация ДНК1, репарация2 и регуляция транскрипции с помощью дистальных энхансеров3. Методы захвата конформации хромосом (3C), которые измеряют физическую близость между геномными последовательностями в фиксированных клетках, показали, что хромосомные контакты организованы в субмегабазные домены предпочтительных взаимодействий, известные как топологически ассоциированные домены (TAD)4,5, границы которых могут функционально изолировать регуляторные последовательности3. TADs в основном возникают в результате вложенных взаимодействий между конвергентно ориентированными сайтами связывания ДНК-связывающего белка CTCF, которые устанавливаются, когда связанный с хроматином CTCF арестовывает активность экструзии петель комплекса cohesin6,7,8,9,10.

Определение времени и продолжительности хромосомных взаимодействий внутри TADs и их взаимоотношений с CTCF и cohesin является ключом к пониманию того, как энхансеры взаимодействуют с промоторами11,12. Одноклеточный анализ структуры хромосом в фиксированных клетках4,13,14,15, эксперименты по отслеживанию хромосом16,17,18,19, измерения in vitro9,10,20 и живых клеток21 динамики CTCF и когезина, а также моделирование полимеров6,15, 22, а также визуализация хромосомных местоположений и зарождающейся РНК в живых клетках23,24 позволяют предположить, что петли TADs и CTCF являются динамическими структурами, временная эволюция которых может регулироваться кинетикой экструзии петель25. Недавние измерения петли CTCF на живых клетках, соединяющей две противоположные границы TAD в эмбриональных стволовых клетках мыши (мЭСК), предоставили прямое доказательство того, что это действительно так, и показали, что когезин-опосредованные петли между сайтами CTCF, расположенными на расстоянии 500 килобаз (т.п.н.), существуют последние 10 –30 мин (ссылка 26). Однако до сих пор неясно, происходят ли контакты между последовательностями, разделенными геномными расстояниями, где энхансеры и промоторы взаимодействуют в пределах одного и того же TAD, в масштабе секунд, минут или часов. У нас также мало знаний о том, модулируются ли и каким образом скорость и продолжительность таких контактов с помощью экструзии петли. Мы, наконец, не знаем, увеличивает ли когезин подвижность хромосом и, таким образом, способствует встречам между геномными последовательностями, сматывая их в петли, или вместо этого он обеспечивает ограничения, которые уменьшают подвижность и продлевают продолжительность таких встреч. Теоретически предполагается, что оба сценария возможны27,28, но неясно, какой эффект доминирует в живых клетках.

Здесь мы используем флуоресцентную микроскопию живых клеток для измерения динамики хромосом и ее зависимости от когезина и CTCF в мЭСК. Объединив две стратегии визуализации живых клеток с полимерным моделированием, мы обнаружили, что петли, вытесненные когезином, ограничивают глобальное движение хромосом, а также увеличивают временные частоты и продолжительность физических контактов между последовательностями внутри одного и того же TAD. Конвергентные сайты CTCF существенно стабилизируют контакты посредством когезин-опосредованных петель, заякоренных CTCF, которые длятся в среднем около 5–15 минут. Наши результаты подтверждают представление о том, что структура хромосом внутри одиночных TAD очень динамична на протяжении клеточного цикла и, таким образом, регуляция транскрипции на большие расстояния может зависеть от временной физической близости между геномными последовательностями. Они также показывают, как динамика контакта и временная изменчивость сворачивания хромосом модулируются когезином и CTCF в отдельных живых клетках, и обеспечивают количественную основу для понимания роли динамики сворачивания в фундаментальных биологических процессах.