Sestava in značilnosti preurejevalnih strojčkov

UVOD

Evkariontski genom je zapakiran v periodično nukleoproteinsko strukturo imenovano kromatin. Ponavljajoče se enote kromatina-nukleosomi, so sestavljene iz DNA, ki je navita okoli histonov. Za tako pakiranje DNA je potrebna mobilizacija in preoblikovanje nukleosomov, to pa omogočajo strojčki za preoblikovanje. Strojčki za preoblikovanje so proteini, ki za svoje delovanje potrebujejo ATP, tako je vsem strojčkom skupna ATPazna podenota in modulacija interakcij med histoni in DNA. Z svojim delovanjem pospešujejo(katalizirajo) mobilizacijo in prestavljanje nukleosomov. Kljub temu, da so znani številni raznoliki kompleksi preoblikovalnih strojčkov, ki vsebujejo motorno podenoto, ki pripada družini SNF-2 ATPaz. Posamezne poddružine se medseboj razlikujejo v proteinskih motivih izven ATPazne regije. Najbolj preučen je kompleks SWI/SNF, ki vsebuje Swi2/Snf2 ATPazno podenoto. Ta kompleks je prisoten v številnih organizmih, tudi pri človeku in pri kvaskovkah.

VEZAVA PREUREJEVALNIH STROJČKOV

Kako se bo preurejevalni kompleks vezal na substrat (nukleosom ali DNA), je odvisno od posameznega kompleksa. Kompleks NURF, se na substrat ne veže direktno, vendar preko histonskih repkov. Nekateri drugi kompleksi, ki vsebujejo ISWI ATPazno podenoto pa se na substrat vežejo le prehodno. Medtem pa se ravno nasprotno kompleks SWI/SNF jasno veže na DNA in nukleosome z zelo močno afiniteto. Zelo verjetno je, da interakcije potekajo preko malega žleba, saj se kompleks odcepi z DNA molekule preko distamicina A ali kromomicina A3 (vezavna reagenta v malem žlebu). Predpostavljeno je tudi, da se kompleksi vežejo na DNA preko HMGbox (proteinska domena, vključena pri vezavi DNA). Afiniteta SWI/SNF do nukleosomov je rahlo večja kot do DNA. Razlog za to so interakcije med komplesom in jedernimi histoni.

MEHANIZMI DELOVANJA KROMATIN PREUREJEVALNIH KOMPLEKSOV

Ločimo encime, ki modificirajo histone in tiste, ki spreminjajo strukturo kromatina. K slednjim uvrščamo različne družine encimov, vsem pa je skupna ATPazna domena. Preurejevalni strojčki sodelujejo pri podvojevanju DNA, transkripciji, popravljanju napak na DNA, homologni rekombinaciji in spreminjanju strukture kromatina. (1) Točni mehanizmi delovanja še niso povsem jasni, znano pa je, da lahko preurejevalni strojčki delujejo na naslednje načine (1,2):

-Katalizirajo premik nukleosomov po DNA verigi.

-Katalizirajo prenos histonov iz nukleosoma na prosto DNA verigo (značilno za poddružino SNF2).

-Nukleazam olajšajo dostop do DNA.

-Katalizirajo nastanek dinukleosomov iz mononukleosomov (značilno za poddružino SNF2).

-Uravnavajo vijačno zvitje DNA okrog hisnskega oktamera.

-Omogočajo kontrolirano razgradnjo nukleosomov.

Značilno je, da DNA, ki je bila najprej tesno ovita okrog histonskega oktamera, tvori zanko ali izboklino, ki štrli ven iz nukleosoma. Zanka lahko nastane zaradi encimsko kataliziranega zasuka DNA, zaradi česar se del DNA odvije od oktamera. Nastanek zanke je lahko tudi posledica translokazne aktivnosti preurejevalnih strojčkov (1). Raziskave in vitro kažejo na to, da poddružini SWI2/SNF2 in ISWI različno interagirata z nukleosomi ali DNA in zato preoblikujeta kromatin po različnih mehanizmih.

Poddružina ISWI:

Za to poddružino je najverjetnejši translokacijski mehanizem delovanja, številni preurejevalni strojčki imajo namreč DNA translokazno aktivnost. Kompleksi ISWI prenašajo nukleosome v več stopnjah po 1 bazni par naprej, za vsak korak pa se porabi 1 ATP. Pri tem prenosu prihaja do torzije DNA. Posledica translokacije in torzije so oslabljene interakcije med histoni in DNA. Translokazna domena preurejevalnih kompleksov interagira z DNA, ki se nahaja na nukleosomski sredici, pomembne so tudi interakcije C-terminalnih domen kompleksa z DNA(3). Nedavne raziskave članov te poddružine so pokazale, da vzporedno potekata dve reakciji. Translokazna aktivnost pripomore k potiskanju DNA iz histonskega oktamera, hkrati pa se na drugi strani nukleosoma vanj vključuje DNA po 3 bazne pare hkrati. Preden začne DNA vstopati v nukleosom, pride do sedmih zaporednih reakcij, v katerih se 7 baznih parov DNA izloči iz nukleosoma. Ta korak nato preko neznanih mehanizmov spodbudi vleko DNA v nukleosom z druge strani. Ker se je izločilo več DNA, kot jo je vstopilo na drugi strani, pride do spremembe konformacija histonskega oktamera ali zvitja DNA na oktameru ali pa pride do kombinacije teh dveh pojavov. Ko z zadnje strani vstopa DNA, se nukleosom posledično premakne z 3 bazne pare po verigi. (3) Takšnemu mehanizmu rečemo tudi cis mehanizem, saj gre za premik nukleosoma po verigi DNA, ne da bi se pri tem kateri izmed histonov odcepil. (Shematični prikaz si lahko ogledate na povezavi: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3781322/figure/fig2/)

Poddružina SWI/SNF:

Za ti poddružini je značilen tako cis kot tudi trans mehanizem prenosa nukleosomov (za slikovni prikaz klikni na naslednjo povezavo: http://mcb.asm.org/content/20/6/1899/F1.expansion.html). Pri slednjem pride do prenosa histonov na drugo DNA. V tem procesu sodelujejo akceptorji histonov, prednostno pa poteče ob vezavi transkripcijskih faktorjev na nukleosomsko DNA, ker se s tem interakcije med histoni in DNA še dodatno destabilizirajo.

V celici večinoma poteka prenos nukleosomov po cis mehanizmu. Kadar pa zaradi raznih dejavnikov tak način prenosa ni mogoč, lahko preurejevalni kompleksi iz SWI/SNF in RSC poddružin še vedno preoblikujejo kromatin po trans mehanizmu. To jim najverjetneje omogočajo močne interakcije z DNA (v primerjavi z ISWI), ki destabilizirajo vezi med histoni in DNA in olajšajo prenos histonov na drugo DNA ali na histonske šaperone. Tako cis kot trans mehanizem povzročita spremembo v strukturi ali položaju nukleosoma, zaradi česar postane del DNA lažje dostopen transkripcijskim faktorjem in restrikcijskim encimom.

REGULACIJA KROMATIN PREUREJEVALNIH KOMPLEKSOV

Podenote v kromatin preurejevalnih kompleksih so lahko katalitične (ATPazne podenote) ali nekatalitične. Nekatalitične podenote imajo različne funkcije, ena izmed njih je tudi regulacija ATPaznih podent. Npr. V SWI/SNF poddružini sta ATPazni podenoti BRG1 in hBRM stimulirani s strani treh neATPaznih podenot; INI1, BAF155 in BAF170, v poddružini ISIW aktivnost kromatin preurejevalnih kompleksov uravnava podenota Acf1, ki olajša in izboljša drsenje med nukleosomi ter vpliva na smer njihovega gibanja (1).

S podenotami kromatin preurejevalnih kompleksov je v poddružinah SWI/SNF, RSC in INO80 povezan tudi aktin in nekateri ARPji (actin-related proteins). Vendar tu ne govorimo o citoplazemskih ARPjih in aktinu temveč o jedrnih. Citoplazemski ARPji imajo vlogo pri nukleaciji aktinskih filamentov, ter pri ureditvi citoskeleta, jedrni ARPji (Arp 4,5,6,7,8 in Arp 9) so pa povezani izključno s kromatin preurejevalnimi kompleksi (4). Pri kvasovkah, v poddružini SWI/SNF, delujeta Arp 7 in Arp 9 kot heterodimera in se vežeta na katalitično podenoto Snf2. Pri ljudeh pa, za primerjavo, v poddružini SWI/SNF deluje aktin in se veže na BRG1 podenoto. V raziskavah so dokazali, da zdravila, ki vplivajo na delovanje aktina, posledično tudi zmanjšajo SWI/SNF ATPazno aktivnost, kar dokazuje, da aktin in ARPji pozitivno regulirajo kromatin preurejevalne aktivnosti (4,5). Aktin in Arpji se vežejo neposredno na eno izmed dveh domen preurejevalne podenote ATPaze; na domeno HSA (helicase-SANT–associated domain). HSA domene torej selektivno vežejo večino Arpjev in aktina v kromatin preurejevalni kompleks. Raziskave v poddružini INO80 so pokazale da vezava ARPjev na HSA domeno spodbuja aktivnost ATPazne podenote, vezavo DNA in mobilizacijo nukleosomov (5).

VIRI

1 Lusser A., Kadonaga J.T. Chromatin remodeling by ATP-dependent molecular machines, BioEssays, 2003, letn. 25, str. 1192-1200.

2 Vignali M., Hassan A.H., Neely K.E., Workman J.L. ATP-Dependent Chromatin-Remodeling Complexes, Molecular and cellular biology, 2000, letn. 20, str. 1899-1910.

3 Narlikar G.J., Sundaramoorthy R., Owen-Hughes T. Mechanisms and Functions of ATP-Dependent Chromatin-Remodeling Enzymes, 2013, Cell, letn.154, str. 490-503.

4 H. Szerlong, K. Hinata, R. Viswanathan, H. Erdjument-Bromage, P. Tempst in B. R. Cairns. The HSA domain binds nuclear actin-related proteins to regulate chromatin-remodeling ATPases. 2008. Nat. Struct. Mol. Biol. 15(5): 469–476.

5 C. R. Clapier in B. R. Cairns. The Biology of Chromatin Remodeling Complexes. 2009. Annu. Rev. Biochem. 78:273-304