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.2013年9月17日；110（38）：E3605-11。
doi:10.1073/pnas.1302950110。 Epub 2013年9月3日。

非特异性杂交诱导的吸引力驱动DNA结合蛋白的聚集和基因组组织

克里斯·A·布雷克利 1, 斯蒂芬-泰勒, 银杏, 彼得·库克, 大卫·马伦佐
附属公司

非特异性杂交诱导的吸引力驱动DNA结合蛋白的聚集和基因组组织

克里斯·A·布雷克利等。 美国国家科学院程序. .

摘要

分子动力学模拟用于模拟扩散到DNA、结合和解离的蛋白质；在蛋白质之间或模板之间没有任何明确相互作用的情况下，结合自发诱导局部DNA压实和蛋白质聚集。小的二价蛋白质形成成行[如细菌类组蛋白核结构蛋白（H-NS）的结合]，大的蛋白质形成准球形聚集体（如纳米粒子结合），以及具有八个结合位点的圆柱体（代表八聚核糖体核心）变成不规则折叠的簇（就像在核小体串中看到的那样）。RNA聚合酶II和转录因子（NFκB）与四条人类染色体上的适当位点结合，产生类似于转录工厂、多尺度环和染色体内接触的蛋白质簇，模拟体内发现的蛋白质簇。我们认为，聚集的这种涌现行为是由熵桥接诱导的吸引力驱动的，该吸引力可以最小化模板中的弯曲和循环惩罚。

关键词：布朗动力学；染色质环；核小体；聚合物物理学。

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利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

数字

图1。
图1。
小蛋白质与DNA结合形成行。MD模拟包括一串蓝色珠子（直径2.5 nm），代表36.75 kbp的DNA（持久长度，50 nm；体积分数，0.26%；无限制聚合物的回转半径为～456 nm）（18）在立方体（250×250×250 nm）中与400个DNA结合蛋白（直径2.5 mm的红色球体；体积分数0.02%）相互作用。相互作用能量和范围（蛋白质珠中心到DNA珠中心）为4.12k个B类T型和3.25nm；所有图中显示的时间均以模拟单位表示（此处相当于70纳秒/单位，假设粘度为1 cP）。(A–D)在不同时间拍摄的快照。在D类，只显示蛋白质(插入：蛋白质和DNA放大区域）。当蛋白质结合时，它们形成行，局部折叠DNA。(电子)簇内珠的比例和平均簇大小均随时间增加（如果中心距<3.5 nm，则两个结合蛋白处于簇内）。
图2。
图2。
大蛋白在与DNA结合时形成准球形簇。MD模拟包括一串蓝色珠子（直径2.5 nm），代表73.53 kbp的DNA（持久长度，50 nm；体积分数，0.16%；无侧限聚合物的回转半径为～645 nm）（18）相互作用（12.4k个B类T型,;范围，从蛋白珠中心到DNA珠10 nm），100个DNA-结合蛋白（红色球体，直径12.5 nm；体积分数0.2%相当于3.15μM）在一个立方体（375×375×755 nm）中。(A类和B类)30000个模拟单元后，一个结构的两个视图（有/无DNA）；许多复合物聚集在一起。(插入)DNA包裹的例子让人联想到模拟中围绕核小体核心的情况，其中包含完全相同的参数，但只有一个蛋白质；这种结构在许多蛋白质中很少见到。(C类)只有当存在吸引力时（如果中心距<17.5nm，两个蛋白质在一个簇中），簇中珠的比例才会随时间增加。
图3。
图3。
核小体核的结合产生无序的染色质纤维。MD模拟包括一串蓝色珠子（直径2.5 nm），代表36.76 kbp的DNA（持久长度，50 nm；体积分数，0.02%；无侧限聚合物的回转半径为～456 nm）（18）相互作用（能量，4.31k个B类T型; 范围为3.5 nm，从DNA珠中心到DNA结合片中心），100个核糖体核心（体积分数0.006%）在一个立方体（750×750×750 nm）中。每个核由四个平面（红色）球体表示，每个球体上有两个（绿色）结合位点。(A类和B类)1.5×10后一个结构的两个视图（有/无DNA）5模拟单位（假设粘度为1 cP，一个单位对应35 ns）；多核集群。(C–E类)中一个簇的三个视图（带/不带DNA或核心）A类从不同的角度显示；DNA像核小体一样折叠在核心周围。(F类)团簇中珠子的比例和平均团簇尺寸都随着时间的推移而增加（如果每个核的中心到中心的距离<17.5nm，则两个结合的核形成一个团簇）。
图4。
图4。
与常染色质结合的20-nm络合物的聚集。MD模拟包括一串蓝色珠子（直径20 nm；2 kbp DNA），代表10 Mbp常染色质（持续长度，60 nm；无限制聚合物的回转半径为～1.4μm）相互作用（4.12k个B类T型; 范围，从DNA中心到聚合酶中心26 nm）与100个含有RNA聚合酶和转录因子的复合物（红色珠子，直径20 nm）在立方体（2×2×2μm）中。(A类和B类)30000个模拟单位（一个单位对应于0.36 ms，假设核质粘度为10 cP）后，一个结构的两个视图（有/无DNA）；复合物簇。(插图)一个群集的高倍视图。(C类)簇中珠子的比例和平均簇大小都随时间而增加（如果中心到中心的距离<28 nm，则两个络合物形成一个簇；使用这个严格的阈值，簇中的比例仅达到～0.6，尽管除三个红色珠子外，其余的都在簇中B类).
图5。
图5。
核因子κB和RNA聚合酶II与人类第5、8、14和17号染色体结合的聚集。MD模拟包括四串珠子（直径30 nm），代表人类染色体5（红色）、8（蓝色）、14（绿色）和17（黄色），模拟为立方体（3×3×3µm）中适当长度的聚合物（持久长度，90 nm；体积分数，10%）。无限制染色体5、8、14和17的回转半径分别为～7.4、～6.6、～5.6和～4.9µm，因此聚合物处于半稀释至浓缩状态（18）。该立方体还包含5000个NFκB复合物（绿色9纳米球体）和5000个RNA聚合酶（红色18纳米球体），这些聚合酶与染色体上的同源位点结合。因此，有四种类型的珠子：非结合型，仅能结合NFκB或聚合酶，并能结合两者。p65（NFκB的一个亚基）和聚合酶的结合数据是在TNFα刺激30分钟后使用HUVECs通过ChIP-seq获得的。对于聚合物：聚合酶相互作用，相互作用能量设置为15.95k个B类T型范围（DNA和蛋白质珠中心之间）至43.2 nm；对于聚合物：p65相互作用，相应值为13.52k个B类T型和36纳米。(A类)的5′区域的浏览器视图SAMD4A公司显示聚合酶和p65的结合位点（显示富集倍数）。地图下方的动画显示了如何建模NFκB与每个3kbp片段的结合；只有指定的14个珠子中的3个（位于SAMD4A型启动子）具有周围的吸引区（粉红色）并能结合NFκB。(B类)100000个模拟单位后拍摄的快照（相当于～120秒，假设粘度为10 cP）。(C类)放大插入在里面B类没有染色体来突出蛋白质聚类(D类)簇内珠的比例和平均簇大小均随时间增加（如果中心距<36 nm，则两个聚合酶或两个NFκB复合物形成一个簇）。(电子)四条染色体内部和之间的接触（标记为十字，定义为中心距<90 nm）；这四个基因在区域内保持分离，形成更多的染色体内接触，而非染色体间接触（蓝色方框中交叉的高度集中表明了这一点）。(F类)模拟和ChIA-PET产生了类似的接触。内每个3kbp区域的联系人数据SAMD4A公司通过模拟（触点定义为位于90 nm范围内的两个单体）或ChIA-PET（使用参考中的数据）获得；触点定义为在SAMD4A公司标签和配对标签中最多两个不匹配项）。这两种方法检测到的接触数（粗粒度为15-kbp）与转录起始位点（TSS）的距离大致相同。
图6。
图6。
由婚礼引发的吸引力。每个面板都显示了一部分长聚合物和一些DNA结合蛋白（绿色球体被吸引区包围）。(A类)当蛋白质结合时，黑色单体的流动性受到限制（降低其熵）；灰色侧翼单体也会失去一些熵，而距离较远的单体则会逐渐减少（未注明）。(B类)这两种结构包含相同数量的单体和蛋白质，但右边的结构更稳定，因为它包含更少的环和更少的灰色单体。(C类)一旦形成一个桥，桥两侧的单体很可能以有利于结合第二个桥的方式定位。这种结合并没有计算出全部的熵成本，因为大部分成本是在第一座桥形成时支付的。对于像裸DNA这样的刚性聚合物，这可能会驱动成排的结合蛋白的形成（图1；图S5). (D类)一旦两个桥连接两个DNA片段，产生的高局部浓度会产生一个碰撞截面，很可能会筛选出任何扩散的蛋白质(电子)当左桥解离时，高浓度的局部DNA促进了附近的重新结合。经过几步分离/重新绑定或滑动后，结果会被压缩在一起，形成右侧最稳定的结构（与其他两个结构相比，灰色单体少了四个）。
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