La natura polimerica dei geni ripetuti in tandem migliora l'assemblaggio dell'eterocromatina costitutiva nel lievito di fissione

May 28, 2023

Biologia delle comunicazioni volume 6, numero articolo: 796 (2023) Citare questo articolo

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Motivati ​​dai nostri recenti esperimenti che dimostrano che i geni ripetuti in tandem diventano eterocromatina, qui mostriamo una teoria dell'assemblaggio dell'eterocromatina tenendo conto della connettività di questi geni lungo la cromatina nelle equazioni cinetiche della produzione di piccoli RNA e della metilazione dell'istone, che sono le principali reazioni biochimiche coinvolte nell'assemblaggio dell'eterocromatina. La nostra teoria prevede che la natura polimerica dei geni ripetuti in tandem garantisce la produzione costante di piccoli RNA a causa del legame stabile degli RNA nascenti prodotti dai geni a RDRC/Dicers sulla superficie della membrana nucleare. Questa teoria prevede anche che la compattazione dei geni ripetuti in tandem sopprima la produzione di piccoli RNA, in linea con i nostri recenti esperimenti. Questa teoria può essere estesa al piccolo silenziamento genico dipendente dall'RNA negli organismi superiori.

La cromatina di una cellula eucariotica differenziata forma l'eterocromatina che coesiste con l'eucromatina. In molti tipi cellulari, l'eterocromatina si osserva in prossimità della membrana nucleare e del nucleolo1. La compartimentazione delle regioni dell'eterocromatina è stata dimostrata anche negli esperimenti Hi-C2,3. I geni di un'eucromatina sono espressi attivamente, mentre i geni di un'eterocromatina vengono espressi solo raramente. La regione genomica dell'eterocromatina costitutiva, come le regioni centromeriche e telomeriche, non dipende dai tipi cellulari, mentre l'eterocromatina facoltativa può passare all'eucromatina e viceversa durante lo sviluppo.

Biofisicamente, si pensa che l'eterocromatina venga assemblata mediante la separazione di fase della cromatina4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18. L'eterocromatina costitutiva è caratterizzata dalla modificazione post-traduzionale delle code istoniche, H3K9me2/3, dei nucleosomi. Le proteine ​​HP1 si legano selettivamente alle code dell'istone metilato H3K9 e mostrano una separazione di fase liquido-liquido a causa dell'interazione multivalente tra queste proteine. Si ritiene che l'interazione multivalente tra le proteine ​​HP1 legate ai nucleosomi con H3K9me2/3 sia la forza trainante dell'assemblaggio dell'eterocromatina.

Il lievito di fissione è un sistema modello classico utilizzato negli esperimenti di biologia molecolare per studiare l'assemblaggio dell'eterocromatina19,20. Un lievito a fissione ha tre cromosomi, ciascuno avente una regione centromerica di 40 - 110 kbps (che si stima siano 24 - 67 unità Kuhn). Il meccanismo molecolare dell'assemblaggio dell'eterocromatina è stato rivelato negli ultimi decenni. La trascrizione è un evento raro nelle regioni dell'eterocromatina. Tuttavia, la trascrizione è essenziale perché la via dell'interferenza dell'RNA (RNAi) è il principale meccanismo molecolare di assemblaggio e mantenimento dell'eterocromatina centromerica del lievito di fissione21,22,23,24: i complessi RITS si legano agli RNA nascenti e reclutano i complessi CLRC per metilare l'RNA H3K9 dei nucleosomi dell'eterocromatina25 o RDRC/Dicers per produrre piccoli RNA26. Recenti esperimenti suggeriscono che il legame dei complessi RITS agli RNA nascenti è piccolo RNA-dipendente quando metilano l'H3K9 dei nucleosomi ed è H3K9me2/3-dipendente quando producono piccoli RNA27,28: la metilazione H3K9 e la produzione di piccoli RNA formano il legame positivo feedback, rafforzandosi a vicenda. Gli esperimenti suggeriscono che RDRC/Dicers sono localizzati sulla superficie interna della membrana nucleare nel lievito di fissione29,30, il che implica che la piccola produzione di RNA (e probabilmente anche la metilazione di H3K9) avviene in prossimità della superficie.

Poiché la metilazione di H3K9 e la produzione di piccoli RNA si verificano durante la trascrizione, ci si potrebbe chiedere cosa accadrà se si sovraregola la trascrizione. Infatti, il segno dell'eterocromatina, come il livello dei piccoli RNA, nelle regioni centromeriche è potenziato dalla sovraregolazione della trascrizione31. Perché la trascrizione forma eterocromatina nelle regioni centromeriche, ma non nelle regioni eucromatina? Le regioni centromeriche sono composte da sequenze ripetute che contengono al loro interno numerosi siti di inizio trascrizione31. Asanuma e colleghi hanno quindi inserito geni eucromatici ripetuti in tandem in una regione eucromatica per imitare questa situazione e hanno scoperto che questi geni ripetuti in tandem sono substrati favorevoli per l'eterocromatina mediata da RNAi: RNAi31 indotto dalla ripetizione. Ciò implica che la sequenza ripetuta e molti siti di inizio della trascrizione costituiscono la firma genomica chiave, in cui viene assemblata l'eterocromatina costitutiva. È ben noto nella fisica dei polimeri che i polimeri aderiscono a una superficie molto più forte dei loro monomeri a causa della connettività dei monomeri lungo la catena polimerica32,33, vedere Fig. 1. In modo simile, la natura polimerica di geni ripetuti in tandem può migliorano il legame degli RNA nascenti agli RDRC/dicers sulla superficie della membrana nucleare.