Genom-wide nucleosome positioning mechanisms in the fission yeast Schizosaccharomyces pombe
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Eukaryontische Genome sind mit basischen Histon-Proteinen in sogenannte Nukleosomen verpackt. DNA in Nukleosomen ist weniger zugänglich als Nukleosomen-freie DNA. Deshalb kontrolliert die Positionierung von Nukleosomen relativ zur DNA Sequenz die DNA-Zugänglichkeit und ist ein wichtiger und integraler Teil der Regulation aller Genom-Funktionen, vor allem der Gen-Transkription. Wir untersuchen die molekularen Mechanismen der Nukleosomenpositionierung in der Spalthefe Schizosaccharomyces pombe, nachdem wir hier die Genom-weite Kartierung von Nukleosomen als erste etablierten und da diese Modellhefe wegen ihrer mechanistischen Ähnlichkeiten zu menschlichen Zellen zunehmend als wichtiges Modell für die Chromatinforschung erkannt wird. S. pombe ist ähnlich gut experimentell zugänglich wie die klassiche Modell-Hefe Saccharomyces cerevisiae (Bäckerhefe), aber beide Hefen sind evolutionär sehr weit divergiert (mind. 0,5 Mrd. Jahre), so dass weitreichende evolutionäre Vergleiche möglich sind. Wir untersuchten eine Reihe von S. pombe-Mutanten bezüglich Effekten auf die globale Nukleosomenorganisation. Überraschenderweise hatte die Depletierung des nucleosome remodeling enzyme RSC, das bekanntermaßen entscheidend an der Ausbildung von Nukleosomen-freien Regionen in S. cerevisiae beteiligt ist, keinen Effekt in S. pombe. Das weist auf eine evolutionäre Plastizität der Nukleosomenpositionierungs-Mechanismen hin, obwohl die globalen Muster im Endeffekt hochkonserviert sind. In der Tat fanden wir, dass eine S. pombe Doppelmutante, in der die Gene für die zwei CHD1-Typ nucleosome remodeling enzymes Hrp1 und Hrp3 deletiert sind, in der Nukleosomenanordnung über genischen Bereichen stark beeinträchtigt war und verstärkt kryptische Transkription zeigte. Dieser Phänotyp erinnerte stark an eine von anderen beschriebene S. cerevisiae Doppelmutante, in der Gene deletiert sind, die jeweils für ein ISWI- und ein CHD1-Typ nucleosome remodeling enzyme codieren. Die resultierenden Nukleosomenmuster und biologischen Konsequenzen waren also wiederum hochkonserviert, aber die verantwortlichen Mechanismen divergent, d.h. involvierten unterschiedliche Klassen von remodeling enzymes. Unsere Ergebnisse unterstützen eindrücklich unsere Sicht, dass die Nukleosomenpositionierung nicht auf universellen oder gar intrinsischen Mechanismen beruht, sondern auf extrinsischen Faktoren mit evolutionärer Plastizität. Im Zusammenhang mit der Rolle von nucleosome remodeling enzymes bei der Nukleosomenpositionierung identifizierten wir eine neue Aktivität von ISWI- und CHD1-Typ remodeling enzymes. Deutlich anders als von gängigen Modellen vorhergesagt katalysieren solche remodelers einen konstanten Inter-Nukleosomalen Abstand (Linker-Länge) unabhängig von der Nukleosomendichte. Die klassische Aktivität, auf Grund derer solche remodeler reguläre Anordnungen (arrays) generieren, kann deshalb nicht auf einer bloßen Vereinheitlichung der Linker-Länge beruhen, sondern beinhaltet eine von uns neu identifizierte clamping activity. In diesem Projekt außerdem erhaltene Ergebnisse, zum Beispiel bezüglich der Genom-weiten intrinsischen Nukleosomenpositionierung in vitro, sind die Grundlage für ein größeres Folgeprojekt im Rahmen des Bayrischen Forschungsnetzwerkes für Molekulare Biosysteme (BioSysNet). Hier etablieren wir die Genom-weite Rekonstitution von in vivo-ähnlicher Nukleosomenpositionierung für S. pombe mit Hilfe gereinigter DNA-Bindefaktoren und gereinigten nucleosome remodeling enzymes. So können wir Nukleosomenpositionierungs-Mechanismen einer Genom-weite biochemischen Untersuchung zugänglich machen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- CHD1 remodelers regulate nucleosome spacing in vitro and align nucleosomal arrays over gene coding regions in S. pombe. EMBO J. 2012 Nov 28;31(23):4388-403
Pointner J, Persson J, Prasad P, Norman-Axelsson U, Strålfors A, Khorosjutina O, Krietenstein N, Svensson JP, Ekwall K, Korber P
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/emboj.2012.289) - Genome-wide in vitro reconstitution of yeast chromatin with in vivo-like nucleosome positioning. Methods Enzymol. 2012; 513:205-32
Krietenstein N, Wippo CJ, Lieleg C, Korber P
- Mediator, TATA-binding protein, and RNA polymerase II contribute to low histone occupancy at active gene promoters in yeast. J Biol Chem. 2014 May 23;289(21):14981-95
Ansari SA, Paul E, Sommer S, Lieleg C, He Q, Daly AZ, Rode KA, Barber WT, Ellis LC, LaPorta E, Orzechowski AM, Taylor E, Reeb T, Wong J, Korber P, Morse RH
(Siehe online unter https://doi.org/10.1074/jbc.M113.529354) - The RSC chromatin remodeling complex has a crucial role in the complete remodeler set for yeast PHO5 promoter opening. Nucleic Acids Res. 2014 Apr;42(7):4270-82
Musladin S, Krietenstein N, Korber P, Barbaric S
(Siehe online unter https://doi.org/10.1093/nar/gkt1395) - Nucleosome spacing generated by ISWI and CHD1 remodelers is constant regardless of nucleosome density. Mol Cell Biol. 2015 Mar 2 [Epub ahead of print]
Lieleg C, Ketterer P, Nuebler J, Ludwigsen J, Gerland U, Dietz H, Mueller-Planitz F, Korber P
(Siehe online unter https://doi.org/10.1128/MCB.01070-14)
