Cooperation between bHLH transcription factors and histones for DNA access

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1년 ago

확장된 1000 Genomes project: 602개의 trio를 대상으로 High-coverage whole-genome sequencing 적용

Abstract

전사 인자(transcription factor)의 기본 나선-루프-나선(basic helix-loop-helix; bHLH) 계열은 E-boxes(CANNTG)로 알려진 DNA motif를 인식하고 108가지의 종류를 가집니다.

이 논문에서는 chromatinized E-boxes가 구조적으로 상이한 두 가지 bHLH 단백질, 즉 proto-oncogene MYC-MAX와 일주기 전사 인자 CLOCK-BMAL1와 어떤 연관이 있는지 조사합니다. 두 전사 인자는 뉴클레오솜의 entry-exit sites 근처에서 우선적으로 E-boxes에 결합합니다. 자연 상태 및 조작된 뉴클레오솜 서열에 대한 구조 연구를 통해 MYC-MAX 또는 CLOCK-BMAL1이 DNA에 접근하기 위해 히스톤에서 DNA의 방출을 촉발한다는 것을 보여줍니다. H2A-H2B acidic patch 위에는 CLOCK-BMAL1 Per-Arnt-Sim(PAS) dimerization domain이 histone octamer disc와 결합합니다. Endogenous DNA sequence에 tandem E-boxes이 결합하는 일은 두 CLOCK-BMAL1 protomer들과 히스톤 단백질들 사이의 직접적인 상호작용을 통해 발생하며, 이 과정은 일주기 순환에 중요한 역할을 합니다. 내부 E-boxes에서 MYC-MAX leucine zipper 구조는 H2B 및 H3 히스톤과도 상호 작용할 수 있으며, 여기서의 결합은 뉴클레오솜의 다른 곳에서 OCT4에 의해 간접적으로 강화됩니다.

뉴클레오솜 E-box의 위치와 bHLH dimerization의 유형은 히스톤 접촉, 친화성 및 다른 뉴클레오솜 결합 인자와의 경쟁 및 협력의 정도를 공동으로 결정합니다.

Figure

[Figure 1] CLOCK-BMAL1 및 MYC-MAX는 뉴클레오솜의 끝부분에서 결한한다
(A) 전사 인자 bHLH의 단백질 도메인 구조를 나타내는 그림입니다. 이번 연구에서는 노란색 테투리로 표현된 부분들을 활용합니다.
(B) CLOCK-BMAL1의 SeEN-seq profile입니다. SHL을 통해 DNA major groove가 히스톤을 향해 있는 곳을 유추할 수 있습니다.
(C) MYC-MAX의 SeEN-seq profile입니다.
(D) CLOCK-BMAL1 SeEN-seq profile을 MYC-MAX의 결과와 겹쳐서 확인했습니다.
(E) 인간 NCP의 구조입니다. 그림에서 DNA는 정규화된 CLOCK-BMAL1 SeEN-seq profile 기반으로 표기되었습니다.
(F) CLOCK-BMAL1이 SHL+5.8에서 E-box motif와 인접해 있는 상태의 Cryo-EM 구조입니다.

[Figure 2] CLOCK-BMAL1 구조 내 PAS domain 및 히스톤의 구조
(A) SHL+5.8에 위치해 있는 CLOCK-BMAL1 bHLH domain은 DNA를 놓아줍니다.
(B) 히스톤과 함께 있는 영역에서의 PAS-B domain 구조를 확대한 그림입니다.
(C) SHL-6.2에서 CLOCK-BMAL1 bHLH domain입니다.
(D) SHL-6.2에서 CLOCK-BMAL1이 뉴클레오솜 E-box와 인접해 있는 원자 모델입니다.
(E) SHL-6.2에서 CLOCK의 구조를 확대한 그림입니다.
(F) SHL-6.2에서 BMAL1의 구조를 화대한 그림입니다. CLOCK chain은 포함되지 않았습니다.

[Figure 3] solvent-exposed E-box에 인접한 MYC-MAX는 bHLH domain을 확보하기 위해 DNA를 놓아준다
(A) 결합되지 않은(밝은 파란색) 뉴클레오솜과 MYC-MAX이 결합된(회색) 뉴클레오솜의 DNA 궤적 비교 그림입니다.
(B) SHL-6.2에서 MYC-MAX가 뉴클레오솜과 결합한 전반적인 모델입니다.
(C) CLOCK-BMAL1 모델입니다. (B)의 형태와 서로 비교하기 위해 그렸습니다.
MYC-MAX는 히스톤 결합 없이 motif와의 결합을 보이지만, CLOCK-BMAL1은 CLOCK PAS-B domain을 통해 히스톤 H2B, H3, H4와 결합했습니다.

[Figure 4] OCT4는 내부 구조에서 MYC-MAX 접근을 용이하게 한다
(A) 실험의 타임라인을 보여줍니다.
(B) V-plot 해석에 대한 모식도입니다. Motif 위치 및 크기에 따라 위치가 표현되어 있습니다.
(C) ChIP-seq 실험의 V-plot 결과로, 각각의 binding motif를 중심으로 그려졌습니다.
(D) DNA 서열에 대한 모식도입니다. E-box site 두 개(보라색) 및 OCT4 site 한 개(빨간색)를 각각 보유합니다.
(E) 뉴클레오솜 간의 DNAseI digestion의 차이를 보여줍니다. OCT4 및 MYC-MAX가 존재하는 경우와 MYC-MAX만 존재하는 경우를 나누어 보여줍니다.
(F) OCT4 및 MYC-MAX의 Cryo-EM map입니다.
(G) SHL_5.1에서의 MYC-MAX 모형입니다.

[Figure 5] CLOCK-BMAL1은 protein-protein interaction을 통해 내인성 지점에 관여한다
(A) 쥐의 간에 있는 Por 유전자에 대해 SMF를 실행한 결과입니다.
(B) CLOCK-BMAL1에 있는 2개의 promoter에 인접한 Por nucleosome의 Cryo-EM map입니다.
(C) Internal promoter(E-box1)의 BMAL1 PAS-A Fα helix 인터페이스 및 External promoter(E-box2)의 PAS domain입니다.
(D) Bmal1−/− Per2::Luc mouse의 fibroblast cell로부터 확인한 PER2::LUC 발현량입니다. Wild-type 및 Bmal1 변이 형태에서의 RLU(relative light units)를 확인했습니다.
위 (D)의 실험을 통해 (E) PER2 진동의 주기 및 (F) 댐핑 정도에 유의미한 차이를 확인했습니다.

Disscussion

크로마틴은 bHLH 접근에 영향을 미칩니다. 뉴클레오솜이 포함된 E-box와 관련된 bHLH DNA 결합 도메인은 거의 모든 가능한 부분에서 뉴클레오솜과 충돌할 것으로 예측됩니다. 그럼에도 불구하고, CLOCK-BMAL1은 게놈의 염색된 표적 부위에 결합하여 규칙적인 뉴클레오솜 손실을 초래하고 다른 TF에 대한 접근성을 증가시킵니다. MYC-MAX는 개방적이고 접근 가능한 염색 부위에 결합하는 것을 선호합니다. 그러나 세포 재프로그래밍 중에 MYC를 염색화된 결합 부위로 안내하기 위해 OCT4와 같은 몇 가지 단백질이 제안되었습니다. 여기서 저자들은 두 가지 계통발생학적으로 다양한 bHLH 종류에서 판독된 뉴클레오솜 E-box에 대한 기계적 및 기능적 기초 지식을 제공합니다. MYC-MAX와 CLOCK-BMAL1은 시험관 및 생체 내 뉴클레오솜 DNA에 대해 유사한 말단 결합 선호도를 가집니다(그림 1d, 4c 및 5a). 이 두 구조는 뉴클레오솜 전체에 걸쳐 모티프 위치에 관여할 때 DNA 방출을 요구하여 TF와 orphaned histone 사이에 광범위한 protein-protein interaction을 초래합니다. bHLH TF에 의해 접촉된 히스톤 표면을 비교하면, 특히 H2Bα1 L1 및 H2AL2와의 상호 작용이 MAX-MAX(SHL+5.1, SHL+5.8), MYC-MAX(SHL+5.8, SHL-2) 및 CLOC-BAL1(SHL+5.8, SHL-2) 간에 공유된다는 것을 알 수 있습니다. 그러나 자세한 히스톤 상호 작용은 단백질과 모티프 위치의 함수로 다르며 근위 히스톤 수정에 의해 조절될 수 있습니다. Solvent-facing sites는 일반적으로 histone-facing motifs(그림 1b,c)보다 접근성이 더 높으며, 이는 더 큰 진폭의 DNA 방출을 필요로 하므로 친화력이 더 낮습니다.

CLOCK-BMAL1 및 MYC-MAX는 복잡한 게놈 재구성에서 뉴클레오솜과 상호 작용하고 뉴클레오솜 가장자리에서 결합을 선호하는 체외(그림 4c)에서 뉴클레오솜을 위치시킵니다. bHLH TF가 모티프와 히스톤에 동시에 접촉하기 때문인지, 추출물에 존재하는 효소 슬라이딩 활동에 의해 추가로 도움을 받기 때문인지는 불분명합니다. 뉴클레오솜을 결합하는 생화학적 능력은 bHLH TF가 게놈의 개방-폐쇄 전이에서 경계 요소로 작용할 수 있도록 합니다. 그러나 개방/폐쇄 크로마틴에 상주하는 주어진 요인의 운명은 궁극적으로 크로마틴 리모델링 및 TF의 협력 작업과 같은 downstream process에 달려 있습니다.

생체 내에서 가장 전사적으로 활성화된 CLOCK-BMAL1 의존 유전자는 tandem E-box를 가지고 있습니다. 거기서 CLOCK-BMAL1은 bHLH-히스톤 접촉을 사용하고 두 번째 CLOCK-BMAL1 protomer와 협력하여 다른 폐색 부위에서 히스톤으로부터 DNA 제거를 유도합니다(그림 5a-c). E-box 사이의 정의된 7-bp 간격은 뉴클레오솜의 protein-protein interaction을 통해 접근성을 증가시킵니다. 다른 TF에 대해 밀접하게 간격을 둔 E-box가 관찰되었으며, 이들 중 일부가 정의된 protein-protein interaction에도 관여한다고 추측하는 것이 유혹적입니다. 우리는 또한 TF protein-protein interaction 없이 여러 뉴클레오솜 결합 모티프가 협력할 수 있음을 보여줍니다. 예를 들어, SHL-6.0의 OCT4는 원위 부위에서 MYC-MAX 결합을 약 3배까지 지원했습니다(그림 4f 및 확장 데이터 그림 6e). 연구진들은 두 TF 사이의 간접적인 협력이 뉴클레오솜 DNA 구조를 불안정하게 하여 MYC-MAX 결합을 유지하는 데 필요한 30bp DNA 분리를 용이하게 하기 때문이라고 제안합니다.

저자들은 히스톤 접촉을 통해 TF와 장거리 DNA 불안정화 사이의 직접적인 상호 작용을 통해 bHLH TF가 크로마틴화된 DNA에 직간접적으로 결합을 유도하여 뉴클레오솜에 결합하는 TF의 이론적 및 세포 모델을 위한 분자 및 구조적 메커니즘을 제공한다는 것을 보여줍니다.

REF

Michael, A.K., Stoos, L., Crosby, P. et al. Cooperation between bHLH transcription factors and histones for DNA access. Nature 619, 385–393 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06282-3