Organizacija kromatina pri arhejah

Uvod

Vsi organizmi morajo svoj genom varovati pred poškodbami, vedar hkrati omogočati njegovo transkripcijo in replikacijo. Za evkarionte in baterije je značilna visoka evolucijska ohranjenost organizacije DNA znotraj domene. Evkarionti imajo v jedru celice med 10 in 10.000 Mbp DNA. Ta je organizirana v nukleosome, ki jih tvori histonski oktamer in okoli 147 bp DNA. Več nukleosomov povezuje povezovalna DNA. Pri bakterijah, ki nimajo izoblikovanega jedra, se DNA nahaja v obliki nukleoida, krožnega kromosoma dolžine 0.1-10 Mbp v citosolu. Za kompaktiranje in varovanje DNA uporabljajo ogromno majhnih kationskih pomožnih proteinov oz. z nukleoidom povezanih proteinov (NAP). Za tretjo življenjsko domeno, arheje, pa je značilna velika raznolikost kompaktiranje dednega materiala. Pri arhejah pa najdemo tako NAP-je, kot tudi histone. Pomožni proteini so se pri različnih skupinah arhej, kot so termofili, halofili in acidofili, evolucijsko prilagodili na različna okolja. 4 glavne vrste proteinov, ki sodelujejo pri organizaciji kromatina pri arhejah so histoni, Alba, Cren7, in Sul7d.

Histoni

Do odkritja prvega histona pri arheji Methanothermus fervidus leta 1990 je veljalo, da imajo histone le evkarionti. Pri M. fervidus kodirata histone 2 gena: HMfA in HMfB, ki lahko oblikujeta homo- in heterodimere, v nasprotju z evkarionti, pri katerih sta možni le heterodimerni obliki H3-H4 in H2A- H2B. HMfA in HMfB v raztopini obstajata v dimerni obliki (kot H2A-H2B pri evkariontih), v prisotnosti DNA pa njuni dimeri tetramerizirajo (kot H3-H4 dimeri). HMfA in HMfB sta kratki zaporedji (okoli 65 AK) in razen značilnega histonskega zvitja nimajo nobenih strukturnih značilnosti, ki jih najdemo pri evkariontskih različicah (kationski rep, unikatni elemetni sekundarne strukture za stabilizacijo interkacij med histoni ter histoni in DNA). Z identikifacijo in sekvenciranjem novih vrst arhej so znanstevniki ugotovili, da večina njihovih genomov kodira histone, podobne HMfA in HMfB v M. fervidus. Osnovna enota kromatina pri arhejah je analogno evkariontskemu nukleosomu arheosom. Ta vsebuje od 3 do 5 histonskih dimerov, ki vežejo 90 - 150 bp DNA, povezujejo pa jih izredno kratki deli povezovalne DNA. Kasneje so sledila tudi odkritja histonov pri drugih vrsath arhej. Pri večini njihova histonska zaporedja kodirajo ortologe evkariontski H4 družini in so dolga 68 aminokislin. Razgradnja z mikrokoksko nukleazo je pokazala, da lahko maksimalna velikost arheosoma pri različnih vrstah arhej variira od 150 -300 bp. Ker pri arhejah zaenkrat še niso odkrili histonskih šaperonov, združitvenih faktorjev, od ATP odvisnih preureditvenih kompleksov ali drugih pomožnih proteinov, ki v evkariontih pomagajo pri nadzorovanju velikosti nukleosomov, še ni znano, kako arheje regulirajo dolžino navite DNA v arheosomih.

Alba

Alba je najbolj razširjen arhejski protein za strukturo kromatina. Za razliko od histonov jo lahko najdemo v vseh treh življenjskih domenah. V arhejah so bili proteini Albe odkriti pod imeni, kot so Sac10b, Sso10b in Ssh10b. Kristalno strukturo Albe je določil Wardleworth. Struktura tvori dimer in ima mešano α-spiralo ter β-strukturo z visoko podobnostjo N-terminalni domeni DNaze I. Dimerizacija se ob vezavi na DNA pojavlja simetrično skozi drugo α-spiralo ter tretjo in četrto β-strukturo vsakega monomera. Glavne interakcije med dimerom Albe in DNA vključujejo kationske stranske verige, ki se dotikajo fosfatov vzdolž majhnega žleba DNA. Veliko arhejskih organizmov kodira dve različni družini Albe, imenovani Alba1 in Alba2, pri čemer se zaporedja med obema precej razlikujejo. Sam primer je organizem Sulfolobus solfataricus, kjer znaša enakost med proteinoma le 36%. S spektroskopijo NMR so dokazali, da tvorijo heterodimere v razmerju 1:1. Kristalne strukture kažejo enak način vezave kot homodimeri. Z EM so lahko videli, da tvorijo homodimeri Alba1 in heterodimeri Alba1-Alba2 podobne filamente na DNA. Razlike v fenotipu so bile opazne pri višjih razmerjih, kjer so heterodimeri tvorili kondenzirane oblike kromatina, homodimeri pa debele filamente. Ugotovili so, da sodelujejo homodimeri Alba1 kooperativno z DNA fragmenti, medtem ko heterodimeri ne kažejo enakega. Bolj učinkovito oblaganje DNA s homodimeri je torej neposredna posledica kooperativne vezave. Alba proteini kažejo pri različnih vrstah različno stopnjo specifičnosti zaporedja DNA. Na splošno velja, da izražajo homologi pri hipertermofilnih vrstah malo ali nič specifičnosti, nasprotno pa se homolog v mezofilni vrsti, Methanococcus maripaludis, selektivno veže na specifične lokacije po genomu. Medtem ko histoni drastično ukrivijo in ovijejo DNA v arheosome, Alba obloži DNA ter tvori rigidne kromatinske filamente. Ob prisotnosti Albe se lahko lokalna kondenzacija kromatina z arheosomi zmanjša, kar kaže, da tekmuje s histoni za vezavo na DNA. Alba je edinstvena tudi po tem, da se dobro veže na RNA duplekse, hkrati pa lahko olajša presnovo RNA. Znanstveniki menijo, da lahko Alba deluje tudi kot šaperon za molekule RNA.

Cren7

Poleg široko razširjenih proteinov, ki so odgovorni za strukturo kromatina, so nekatere arheje razvile tudi druge proteine, ki pomagajo strukturirati njihov genom. Cren7 je bil prvič identificiran leta 2008 preko izločanja v Sulfolobus solfataricus kot povezovalni partner Sul7d. Je majhen in zelo ohranjen protein, ki predstavlja skoraj 1% celotnega. Znanstveniki so pokazali, da veže raje dvoverižno DNA, jo stabilizira proti toplotni denaturaciji in jo omejuje v negativne zavoje. Prva NMR struktura Cren7, ki jo jasno opredeljujejo kot SH3-domenski protein, je sestavljena iz petih β-verig, povezanih s štirimi zankami. To je dokazalo sposobnost Cren7 za upogibanje DNA pri 50°. Struktura je tudi poudarila pomembnost interakcije med β3-4 zanko in DNA preko stikov z manjšim žlebom. Izbris zanke je privedel do 60-kratnega zmanjšanja vezave na DNA. Za nadaljnjo raziskavo so izvedli simulacije molekularne dinamike na kristalnih strukturah Cren7, vezanih na DNA. Rezultati so pokazali, da je zanka β3-4 Cren7 pri vezavi močno stabilizirana. Simulacije tudi poudarjajo pomembnost ostankov, ki so ključni pri vezavi. Pri nadaljnjih študijah so uporabili proste energije razkroja in mutacije, da bi ugotovili, kako se vsak posamezen ostanek veže na DNA. Večina energije je prišla iz nepolarnih medsebojnih učinkov. Nazadnje so določili kristalno strukturo Cren7, ki je bil vezan na fragmente DNA, dolžine 18 in 20 bp. Strukture so razkrile dve lastnosti kromatina. Monomeri Cren7 se vežejo na DNA na nasprotnih straneh, kar preprečuje stik med njimi. Prav tako ustvari Cren7 neprekinjen S-oblikovan filament DNA in ima prednost za AT bogato DNA. Pri visokih koncentracijah proteina je Cren7 sposoben močno stisniti DNA preko vezi, v katerih se vežejo proteini z oddaljenimi monomeri, da ustvarijo visoko kondenzirana jedra.

Sul7d

Hipertermofilne arheje iz rodu Sulfolobus sintetizirajo velike količine male, enostavne, DNA vezujoče proteine. Ti proteini, ki so pod skupnim imenom poznani kot Sul7d proteini, so bili v zadnjih treh desetletjih natančno raziskani. Proteini vežejo dvojno vijačnico DNA kot monomeri z malo zaporedno specifičnostjo. Vezava Sul7d proteina poviša temperaturni prag denaturacije DNA za celo do 40 stopinj celzija. Prav tako Sul7d katalizirajo ponovno spajanje komplementarnih enojnih verig DNA pri visoki temperature in omejujejo negativno dvojno zvito DNA. Do danes je bila struktura nekaterih Sul7d proteinov že določena. Organizirani naj bi bili v strukturo podobno SH3 z beta sodčkom. Pri DNA-proteinskih kompleksih Sul7d veže DNA v malem žlebu. Dva hidrofobna ostanka Val26 in Met29 sta vrinjena med bazne pare in tvorita ostro odprtino med baznimi pari v dvojni vijačnici. Odvijanje in prepogibanje DNA pa naj bi Sul7d strukturno omogočalo omejevanje dodatnega zvitja DNA. Sul7d proteini so v nekaterih rodih tudi monometilirani, vendar metilacija ne vpliva na afiniteto vezave Sul7d proteinov na DNA, saj metilirani lizinski aminokislinski ostanki najverjetneje niso locirani na mestih, kjer se Sul7d proteini vežejo na DNA. Številčnost Sul7d v celici skupaj z njihovo zmožnostjo nespecifične vezave in preprečevanjem dodatno zvite DNA, nam namiguje na njihovo pomembno vlogo pri kompaktiranju DNA in kromosomski organizaciji. Ta namigovanja so skladna z ugotovitvami, da Sul7d kompaktira sproščeno in pozivitno zvito DNA, ter stabilirizira dvojno zvito DNA. Sul7d proteini so tako zelo pomembni za ohranjanje DNA pri hipertermofilnih arhejah.

Višje ravni organizacije DNA

Poleg lokalnega zvitja DNA igrajo zelo pomembno vlogo tudi višje ravni organizacije kromatina. Pri arheji Sulfolobus je genom organiziran v dva kompartmenta. Kot pri evkariontih se razlikujeta glede na nivo genske ekspresije: A kompartment je aktiven kromatin, ki vsebuje predvsem vzdrževalne gene, B kompartment pa manj aktiven kromatih, kjer se nahajajo neesencialni geni, ki se izražajo le v določenih okoliščinah. Za organizacijo kromatina na višjih nivojih so pri bakterijah in arhejah ključni proteinski kompleksi iz družine SMC (strukturno vzdrževanje kromosomov), kot so kohezini in kondenzini. Pri različnih vrstah arhej so odkrili več homologov tem proteinom, vendar so njihove molekularne fukncije zaenkrat zelo slabo raziskane. Pri Sulfolobus je za organizacijo ključen SMC-ju podoben protein koalescin, ki se veže na transkripcijsko manj aktivne dele kromatina ter z vzpodbujanjem njihovega zlitja pomaga pri kompartemizaciji genoma.

Povečanje koncentracije koalescina v celici povzroči večjo kompartmentizacijo genoma, s tem pa večje utišanje genov v B kompartmentu in povečanje izražanja genov v A kompartmentu. Kot odziv na stresne pogoje pa so arheje Sulfolobus zmožne zmanjšati kompartmentizacijo in s tem povečati izražanje genov iz B kompartmenta. Pravilno delovanje dinamičnega sistema za spreminjanje genoma je pomembno za oblikovanje višje strukture kromosomov in pravilen odziv celice na spremembe v okolju.

Zaključek

Vsaka vrsta arheje se je prilagodila na življensko okolje na svoj način in skladno s tem se je prilagodil tudi način kompaktiranja dednega materiala. Ker arheje živijo v zelo različnih in tudi ekstremnih okoljih, je za njih značilna velika raznolikost načinov organizacije DNA. Kompaktiranje dednega materiala je odvisno od pomožnih proteinov, ki pri tem pomagajo. Prva skupina proteinov, ki jih prav tako kot evkarionti sintetizirajo tudi nekatere vrste arhej so histoni, ki navijajo in organizirajo DNA v kompaktne arheosome. Alba proteini so najbolj razširjeni arhejski proteini za strukturo kormatina in so prisotni v vseh treh življenskih domenah. Obložijo DNA in tvorijo rigidne kromatinske filamente s kooperativno vezavo na dva nepovezana dela verige DNA. Alba proteini tekmujejo s histoni za vezavo na DNA, njihova specifičnost vezave pa se razlikuje med različnimi vrstami arhej. Manj razširjeni so Cren proteini, ki predvsem zaščitijo dedni material pred toplotno denaturacijo. Tudi Sul7d so pomožni proteini pomembni pri hipertermofilnih arhejah. Katalizirajo ponovno spajanje komplementarenih enojnih verig in omejujejo dodatno zvitje DNA. Pri arhejah so podobno kot pri evkariontih znanstveniki opazili višjo raven organizacije kromatina. Kromatin naj bi arheje organizirale v dva različna kompartmenta, ki se med seboj razlikujeta glede na vrsto genov, ki jih kodirata. Prvi kompartment kodira gene pomembne za rast in normalno delovanje celice, drugi pa kodira gene pomembne za odziv arhej na spremembo pogojev v okolju. Prepisovanje genov, je tako lahko ob ugodnih pogojih v okolju povečano v prvem kompartmentu in hkrati utišano v drugem, kar omogoča hitrejšo sintezo proteinov pomembnih za rast arhej. Ob spremembi pogojev pa je zaradi delitve genoma na kompartmente omogočeni hitrejše prepisovanje genov iz drugega kompartmenta in s tem hitrejši odziv arhej na spremembo. Dinamično deljenje genoma na kompartmente je tako kljunega pomena za preživetje in rast arhej.

Viri

[1] Shawn P. Laursen, Samuel Bowerman, Karolin Luger. “Archaea: the final frontier of chromatin.” Journal of Molecular Biology (Marec 19, 2021). https://doi.org/10.1016/j.jmb.2020.166791.

[2] Naomichi Takemata and Stephen D. Bell. “Emerging views of genome organization in Archaea.” Journal of Cell Science (Maj 18, 2020). https://doi.org/10.1242/jcs.243782.

[3] Zhang, ZhenFeng, et al. “Archaeal Chromatin Proteins - Science China Life Sciences.” SpringerLink, Science China Press (27 June 2012). https://link.springer.com/article/10.1007/s11427-012-4322-y.