TY - CONF

T1 - Исследования нуклеосомной частицы с помощью экспериментов ЯМР и МД моделирования

AU - Лебеденко, Ольга Олеговна

AU - Измайлов, Сергей Александрович

AU - Рабдано, Севастьян Олегович

AU - Джароняк, Кристофер

AU - Скрынников, Николай Русланович

N1 - Conference code: 6

PY - 2022/7/25

Y1 - 2022/7/25

N2 - ДНК-белковый комплекс – нуклеосома является фундаментальной единицей упаковки молекулы ДНК в клетках эукариот. Нуклеосома представляет собой октамер белков-гистонов (по 2 молекулы каждого вида гистонов H2A, H2B, H3 и H4), вокруг которого закручено 145-147 пар нуклеотидных оснований ДНК. При этом каждый гистон имеет в своём составе гибкие N- или C-терминальные "хвосты", располагающиеся над поверхностью нуклеосомы и открытые для доступа извне. Именно через гистоновые хвосты осуществляется регуляция различных процессов, в частности регулируется доступность молекулы ДНК для считывания генетической информации. Исчерпывающее понимание молекулярных основ функционирования гистоновых хвостов затруднено в связи с тем, что стандартные экспериментальные методы (например, рентгеноструктурный анализ и электронная микроскопия) непригодны для исследования разупорядоченных сегментов пептидной цепи. Полноценная модель конформационного многобразия разупорядоченных гистоновых хвостов может быть получена в ходе моделирования методом молекулярной динамики (МД). Однако подобные модели требуют тщательной экспериментальной валидации. В наших предыдущих исследованиях мы охарактеризовали динамические свойства N-концевого хвоста гистона H4 (N-H4), используя для этого длинные (2 µs) траектории МД в совокупности с данными измерений скоростей ЯМР-релаксации спинов 15N. Наиболее успешная МД модель была получена в силовом поле ff14SB с использованием воды TIP4P-D. Нам удалось показать, что N-H4 в значительной мере сохраняет высокую подвижность в составе нуклеосомы с замедлением ~10 раз по отношению к свободному пептиду с той же аминокислотной последовательностью. При этом часть из заряженных остатков N-H4 образуют контакты с молекулой ДНК, играя роль своего рода "динамических якорей", а лежащие между ними участки пептидной цепи ведут себя как гибкие петли. В настоящей работе мы сосредоточились на пространственной локализации N-H4 в составе нуклеосомной частицы, опираясь на МД моделирование и экспериментальные данные измерений парамагнитного усиления ядерной релаксации (Paramagnetic relaxation enhancement, PRE). Для этой цели было сконструировано четыре образца нуклеосомы, помеченных нитроксильной меткой MTSL, прикрепляемой к четырём различным остаткам в составе гистона H3 (K36C, L65C, K79C, и Q125C), а также 15N-меченых по остаткам гистона H4. С использованием этих образцов были измерены коэффициентыослабления для интенсивности спектральных пиков в спектре (1 HN, 15N)-HSQC для спектральных сигналов N-H4 в присутствии парамагнитной метки на гистоне H3.Полученные таким образом значения PRE определяются средним расстоянием от парамагнитной метки до соответствующего протона 1 HN, и тем самым могут служат своеобразным зондом для определения пространственной локализации N-H4. Наряду с экспериментальными данными, нами также были рассчитаны теоретические значения PRE из уже упомянутой выше МД траектории. При расчётах в полной мере учитывалась динамика системы, включая движение разупорядоченного хвоста N-H4 и мобильной парамагнитной метки. Предсказываемые на основе данных МД значения PRE находятся в хорошем качественном согласии с экспериментальными данными, а именно: экстремально высокие значения PRE для образцов K79C-MTSL и L65C-MTSL, умеренные для Q125C-MTSL и низкие для K36C-MTSL. Дальнейший анализ МД траектории показал, что NH4 преимущественно локализован вблизи поверхности нуклеосомной ДНК, однако сохраняет при этом высокую конформационную подвижность. В совокупности экспериментальные и теоретические результаты косвеннымобразом подтвердили предположение о динамическом взаимодействии хвоста гистона H4 с нуклеосомной ДНК, которое можно классифицировать как "нечёткое взаимодействие" (fuzzy interaction). Для получения более полного представления о рассматриваемой системе мы планируем внедрить парамагнитную метку в состав нуклеосомной ДНК, а также исследовать поведение гистонового хвоста N-H4 в ответ на модификацию лизиновых и аргининовых остатков.Работа выполнена при поддержке гранта СПбГУ 92425251.

AB - ДНК-белковый комплекс – нуклеосома является фундаментальной единицей упаковки молекулы ДНК в клетках эукариот. Нуклеосома представляет собой октамер белков-гистонов (по 2 молекулы каждого вида гистонов H2A, H2B, H3 и H4), вокруг которого закручено 145-147 пар нуклеотидных оснований ДНК. При этом каждый гистон имеет в своём составе гибкие N- или C-терминальные "хвосты", располагающиеся над поверхностью нуклеосомы и открытые для доступа извне. Именно через гистоновые хвосты осуществляется регуляция различных процессов, в частности регулируется доступность молекулы ДНК для считывания генетической информации. Исчерпывающее понимание молекулярных основ функционирования гистоновых хвостов затруднено в связи с тем, что стандартные экспериментальные методы (например, рентгеноструктурный анализ и электронная микроскопия) непригодны для исследования разупорядоченных сегментов пептидной цепи. Полноценная модель конформационного многобразия разупорядоченных гистоновых хвостов может быть получена в ходе моделирования методом молекулярной динамики (МД). Однако подобные модели требуют тщательной экспериментальной валидации. В наших предыдущих исследованиях мы охарактеризовали динамические свойства N-концевого хвоста гистона H4 (N-H4), используя для этого длинные (2 µs) траектории МД в совокупности с данными измерений скоростей ЯМР-релаксации спинов 15N. Наиболее успешная МД модель была получена в силовом поле ff14SB с использованием воды TIP4P-D. Нам удалось показать, что N-H4 в значительной мере сохраняет высокую подвижность в составе нуклеосомы с замедлением ~10 раз по отношению к свободному пептиду с той же аминокислотной последовательностью. При этом часть из заряженных остатков N-H4 образуют контакты с молекулой ДНК, играя роль своего рода "динамических якорей", а лежащие между ними участки пептидной цепи ведут себя как гибкие петли. В настоящей работе мы сосредоточились на пространственной локализации N-H4 в составе нуклеосомной частицы, опираясь на МД моделирование и экспериментальные данные измерений парамагнитного усиления ядерной релаксации (Paramagnetic relaxation enhancement, PRE). Для этой цели было сконструировано четыре образца нуклеосомы, помеченных нитроксильной меткой MTSL, прикрепляемой к четырём различным остаткам в составе гистона H3 (K36C, L65C, K79C, и Q125C), а также 15N-меченых по остаткам гистона H4. С использованием этих образцов были измерены коэффициентыослабления для интенсивности спектральных пиков в спектре (1 HN, 15N)-HSQC для спектральных сигналов N-H4 в присутствии парамагнитной метки на гистоне H3.Полученные таким образом значения PRE определяются средним расстоянием от парамагнитной метки до соответствующего протона 1 HN, и тем самым могут служат своеобразным зондом для определения пространственной локализации N-H4. Наряду с экспериментальными данными, нами также были рассчитаны теоретические значения PRE из уже упомянутой выше МД траектории. При расчётах в полной мере учитывалась динамика системы, включая движение разупорядоченного хвоста N-H4 и мобильной парамагнитной метки. Предсказываемые на основе данных МД значения PRE находятся в хорошем качественном согласии с экспериментальными данными, а именно: экстремально высокие значения PRE для образцов K79C-MTSL и L65C-MTSL, умеренные для Q125C-MTSL и низкие для K36C-MTSL. Дальнейший анализ МД траектории показал, что NH4 преимущественно локализован вблизи поверхности нуклеосомной ДНК, однако сохраняет при этом высокую конформационную подвижность. В совокупности экспериментальные и теоретические результаты косвеннымобразом подтвердили предположение о динамическом взаимодействии хвоста гистона H4 с нуклеосомной ДНК, которое можно классифицировать как "нечёткое взаимодействие" (fuzzy interaction). Для получения более полного представления о рассматриваемой системе мы планируем внедрить парамагнитную метку в состав нуклеосомной ДНК, а также исследовать поведение гистонового хвоста N-H4 в ответ на модификацию лизиновых и аргининовых остатков.Работа выполнена при поддержке гранта СПбГУ 92425251.

UR - https://events.spbu.ru/eventsContent/events/2022/%D0%A1%D0%B1%D0%BE%D1%80%D0%BD%D0%B8%D0%BA%20%D1%82%D0%B5%D0%B7%D0%B8%D1%81%D0%BE%D0%B2%20%D0%BA%D0%BE%D0%BD%D1%84%20%D0%98%D0%A2%D0%91%D0%9C%202022.pdf

M3 - тезисы

SP - 47

EP - 49

T2 - VI ежегодная конференция ИТБМ СПбГУ<br/>«Актуальные проблемы трансляционной биомедицины – 2022»<br/>

Y2 - 25 July 2022 through 26 July 2022

ER -