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超硅酸和扭转染色质纤维,竞争通过蛋白来驱动回路挤出

超硅酸和扭转染色质纤维,竞争通过蛋白来驱动回路挤出

生物学 dna 英文PDF文档翻译
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2021-03-24 14:10:40

超硅酸和扭转染色质纤维之间的熵竞争通过伪拓扑结合的休蛋白来驱动回路挤出 



RenataRusková1,2 和Dušanracko1,*

  引文:Rusková,r。 RACKO,D.超硅酸和扭转染色质纤维之间的熵竞争通过伪拓扑结合的CONSIN驱动回路挤出。生物学2021,10,130. https://doi.org/10.3390 /Biology10020130

  学术编辑:伊恩威尔和卡罗琳A.奥斯汀

  收到:2020年12月3日

  接受:2021年2月3日

  发布时间:2021年2月7日

  出版商注:MDPI在发布地图和机构附属中的司法管辖权索赔方面保持中立。

  

版权所有:©2021由作者。被许可人MDPI,巴塞尔,瑞士。本文是在Creative Commons归因(CC)许可的条款和条件下分发的开放式访问文章

  1 聚合物研究所,斯洛伐克科学院,DúbravskáCESTA3,84541布拉索夫,斯洛伐克; renata.ruskova@savba.sk。

2 塑料,橡胶和纤维(IPMFCFT),化学和食品技术,斯洛伐克理工大学,81237 Bratislava,斯洛伐克

 

简单的简介:染色质动力学和染色质结构是聚合物物理学和活性生物过程的双向关系。由于对计算生物学和建模领域的研究,计算机模拟在研究这些复杂关系方面是必不可少的。现在普遍认为,在染色质的中间排序范围内发生的环状结构是通过涉及专门蛋白质(结构维持络合物或SMC)的环形挤出机制形成。虽然SMCS的电机活性很长一段时间,但最近发现了Cohesin的运动活性(戴维森2019)。虽然Cohesin的运动活动的证据缺失,但是计算机模拟发现了可以有效地驱动Loop挤出的其他机制,但计算机模拟已经发现了没有SMC的运动活动。这些机制考虑了通过渗透压转录驱动的环路挤出或熵驱动的环挤出。在以前的模型中,我们已经表明,通过在转录期间形成的perectoneme,可以在机械上按压携带手铐构象的休蛋白,在手铐的接头部分上施加压力。在当前的工作中,我们使用粗粒化分子模拟来进一步探索由超录制驱动的挤出,同时采用更低的超级超录。此外,最近的作品有利于辛酸在纤维上的非拓扑结合,这将解决一系列拓扑问题,同时绕过坐在DNA上的其他分子机械。我们通过计算机模拟显示,超卷绕可以驱动环路挤压而不利用机械推动Cohyin手铐的接头部分。因此,该工作解决了分子生物学中的当前问题,并采用了研究中的先进方法和原始解决方案。

  

摘要:我们提出了一种用于休尼蛋白介导的环形挤出模型,其中环路挤出通过超硅酸纤维和扭转的染色质纤维之间的能量差来灌注。通过不同的阴性摩擦在Cohonein环和染色质纤维之间的施加摩擦来控制不同水平的阴性超级含量。通过与TOP1相关的RNA聚合酶产生负超级卷的速度保持恒定,并且对应于每秒10个转动。该模型通过粗粒分子模拟测试,在普通纤维和周围介质的2至200倍之间的各种摩擦范围内进行测试。较高的摩擦允许积累的超级煎锅,而产生的挤出速率也增加。所得对给定范围的研究摩擦的挤出率在1至10kbps之间,但观察到高摩擦处的速率的饱和度。计算出的联系地图表明在较低水平的超录体中获得的定性改善。数学方程的配合定性地再现了从仿真获得的超级录的环尺寸和水平,并支持所提出的熵驱动挤出机构。 Cohesin环在纤维上伪拓扑上束缚,该模型表明拓扑结合不是必需的。

关键词:DNA;染色质;聚合物;分子动态;粗粒模拟;超级录;环挤压  

 

    1. 介绍

  DNA是一种高度结构组织的生物聚合物,允许活细胞中遇到的高水平压实[1]。从其双螺旋结构开始,可防止分子绕其轴线自由旋转,进一步缠绕蛋白质,产生称为核蛋白的DNA蛋白质复合物[2]。核体是染色质的基本构建块。结果,染色质更准确地看到比分子更准确地看到纤维。每单位长度DNA的核体的数量因生物体对生物而变化[3]。通过接头DNA分离核体,接头DNA的尺寸在扭转刚度方面确定染色质纤维的生物物理性质[4]。

  此外,在更高水平的组织中,染色质纤维形成环。首先在20世纪70世纪70世纪70年代末端观察到循环的溶解中期染色体,其显示出约100kb的环蛋白支架[5]。在20世纪80年代初提出了一种形成这些环的第一广义机制,而提出了在环形成中参与的专用蛋白质复合物的存在[6]。自20世纪90年代以来,我们已知三种称为结构维持的蛋白质或SMC,能够进行这种作用,即凝结I和II和Cohyin[7]。在2010年代初期,通过克莫摩尔组构象捕获方法,Hi-C的方法确认了环间染色体中的环的存在[8-10]。观察到的接触概率的区域进一步被命名为拓扑关联结构域(TAD)可能是由于与细菌染色体中长期存在的拓扑结构域的相似性。如今,SMC在来自细菌对人类生物体的环形成和染色体组织中的作用通常被接受[11]。虽然SMCS的电机状活动的直接证明是待处理的,但它已经规范了很长时间,并且由Marko等人提出了第一个模型。 2012年[12]。多次实验表明了凝结夹蛋白运动活性的证据。较少,最终由Dekker等人提供第一个直接证明。通过使用荧光显微镜的视频记录,显示由Coninsins[13]显示不对称的环形挤出。 Cohesin的电机活性是一个更复杂的故事,并且只有最近的论文在脱蛋白DNA中显示出弱的运动活性,并且在体外实验中存在蛋白质载体Nipbl [14]。随着时间的推移,出现了几种用于蛋白质介导的回路挤出机制的机制,其中蛋白质可以作为活性电机起作用,其中仅通过粗粒模拟仅少数少数已经进行了建模和模拟[15]。在其他机制中,现有模型提出了蛋白质和蛋白质的起伏作用

  通过转录[16]或通过渗透压驱动的挤出方法[17,18]。

  在转录驱动的环挤出的情况下,我们提出了一种模型,其中在转录期间产生的超级卷轴从Cohonein环的一侧积聚,这是Cohyin [19]的染色质纤维夹杂物的有利图片之一。模型中的童宾戒指拓扑地以手铐的形式拓扑上拓扑。通过推动的超级卷轴推动手铐的关节部分,移动环并挤出环。被证明的模型在模拟对称和不对称环挤出方面是成功的,并且它足够快,以模拟每秒千克底对的生物学相关速度的挤出。同时,它解决了沿着超录的梯度自然移动的运动方向性的问题,从回路内的超录到域的边界。该转录也是在细胞中自然发生的过程,因此为环路挤出后的驱动力提供了优雅的解释。 US早期考虑的转录驱动环挤出的模型[20],涉及通过转录诱导的超铜诱导的染色质纤维直接推/挤压核苷酸纤维。在我们之前的工作[20]中,我们还考虑了所需的整个超级锆循环以重组的情况,因为它通过与坐在所形成的环基底部的CTCF蛋白质接触来阻止植入的CTCF蛋白质[20]。在这里,考虑到超级硅酸和扭转染色质纤维之间的熵竞争导致环路挤出的模型,我们集中了在生成相对简单的环路形成TAD的情况下。众所周知,众所周知,在活性基因[21]的启动子附近,在转录开始之后,Cohesin环分开该区域,其中超录的区域可以通过相关的DNA拓扑酶的作用放松。用CTCF在TADS边界[22]。在我们目前的模型中,我们专注于考虑一种转录RNA聚合酶的最简单情况,以恒定速度进展,并且不会处理如此有趣的问题,因为如果我们有两个会聚或发散聚合酶会发生这种情况。

  在过去两年中发现的范围中,我们对Tran-Scription驱动的环路挤出的计算模型需要与最近的实验结果进行调和。首先,我们以前的模拟中遇到的超级录最终变得非常强大,这尚未在人染色质中实验实验观察;此外,这种密集的超级录制将导致观察在接触贴图上的抗对角线特征,这是不希望的。其次,也许更重要的是,Davidson等人的作品。 [14]和Kim等人。 [23]表明,休肽在最伪拓扑上或非拓扑上以最伪拓扑或非拓扑纤维结合,因此转录驱动的环挤出不应利用在Cohesin手铐的接合部分上推动。非拓扑结合还为避免通过实验最近观察到的分子机械的蛋白质或SMC的葡萄蛋白或SMC的最简单的解决方案[24]提供了避免了分子机械的简单方法[24]。

  因此,纸张的目的是展示转录驱动的环路挤出的模型是否可以根据新的实验发现,以及转录仍然可以在较低水平的超录和休宁装载时驱动环挤出的时间以非拓扑方式在纤维上。最后但并非最不重要的是,我们表明这种环境中的转录驱动挤出仍然能够在生物学相关的时间来控制环路挤出,并且其机制可以通过与环路挤出的熵模型找到相似度来解释。

  2. 材料和方法

  我们在可伸展的模拟包装中对柔软物质进行了粗粒的分子动力学模拟[25,26]。该模型由几个关键组件组成。首先,我们使用圆形串珠链具有扭转刚度,以挤出染色纤维的一部分。使用圆链以代表染色质纤维的原因是消除聚合物末端的尺寸效应和效果。染色质纤维的一个珠子对应于σlj= 10nm,其含有400bp的DNA缠绕在两个核体[27]和〜70 bps的接头DNA。我们的串珠链的总尺寸为150个珠子,其表示较小的60kbp循环。珠子通过强烈的谐波电位束缚,并且安装了以排除排除的体积的完全排斥的相互作用电位。此外,我们施加弯曲刚度Kb = 5,使纤维持续长度为50nm [28]。典型的串珠链模型没有扭转刚度。为了将扭转刚度包括到模型中,我们包括额外的虚拟珠子,该虚拟珠子没有排除的体积相互作用,并且仅展示具有周围介质的流体动力阻力γ。这些额外的珠子相对于染色质链的主轴连接,它们设定为γ=γr= 1。随后,这些围绕围绕扭转电位互锁,该扭转电位为扭转变形产生能量惩罚。在我们之前的工作中可以找到如何建立具有扭转僵硬的聚合物模型的参数和详细程序,并在我们之前的工作中找到[29-31]。

  此外,为了模拟Cohesin环,我们使用较小的串联螺纹以伪拓扑方式拧在圆形染色质链上,用单环与两个纤维一起形成。环由14个珠子组成,每个珠子表示10nm。这使蛋白质的最大尺寸在约50nm长的杆状配置中,在实验报道的10和20nm之间的纤维上螺纹上的开口的尺寸为[32]。为了模拟咖啡蛋白和染色质纤维之间的摩擦,水动力阻力γ(XC)=γc的虚拟围绕珠粒和相邻的真实珠子是

  对于在环的内横截面中发现的特定珠子的增加,沿着模拟光纤定义为XC。在模拟中,我们调查了增加阻力γc对累积超录和环路挤出速度水平的影响,而我们使用γc的值在比实际珠粒γr= 1的拖动大的2到200倍之间。要在光纤上加载环,我们使用了Bonato等人描述的修改方法。[33]。首先在折叠的手铐构象上围绕装载珠子(XC= 0)定位,其缠绕在纤维周围的两个珠子的两个环。在下一步中,重新安装咖啡蛋白的弯曲刚度,从而导致折叠的手铐配置的开口。除了这些初步步骤之外,还除去了产生手铐配置的接合部分之间的珠子之间的键。同时,Cohesin环和装载珠之间的排除体积相互作用增加到3σB(同时在1σB处保持纤维珠子之间的排除体积),以防止伪拓扑螺纹环从链条滑动。排除体积的增加的尺寸可以代表RNA聚合酶+TOP1电机的增加,这在纤维上装载后,开始在环后面的超级录制。表S1中提供了具有我们粗粒模型中采用的相互作用参数和模型方程的珠子设置的概述。

  与古典串珠式型号相比,我们模型中的另一个先进特征是表示引入负超细量的有源生物分子机的电动机。概念上,该电动机由与TOP1 TOPOISOMERASE相关的RNA聚合酶组成,所述拓扑酶消除正超级录制,留在系统中仅留下负极超芯片的助焊剂[34]。在以前的作品中,我们显示了两个电机的实施,以恒定的速度和恒定力引入负超级录制[30]。在本模型中,我们使用电动机引入负面超级录,恒定速度为每秒10个转换。

  在我们的模型中实现的一个新功能正在移动缺口的刻痕,允许释放超录。这些放置在移动的Cooin戒指之前放置了一个珠子。我们已经实施了该特征,以消除模拟的尺寸效果,并结合一个假设,即通过TopIIB的TAD边界在TAD边界处快速地放松的超录的假设[22]。

  为了校准我们的模拟时间单位,我们使用与我们在超级录制上的工作中的工作方法类似的方法作为DNA的衰退的驱动力[35]。我们首先进行了一系列模拟,以找到模拟电动机的旋转速度,其中γc=γr= 1,即在池内和纤维之间没有过度摩擦,并且未观察到超录的积累。我们在每36,000个集成时发现了我们的电机一次。随后,我们在非常长的仿真运行中观察到非常长的模拟,并且没有观察到池内环的视觉扭动或明显推动。我们的集成步骤设置为Δτ= 0.0025时间单位,一个完全旋转花了90个时间单位。接下来,我们确定了关系模拟时间单位与DI SeTefano等人使用的方法之间的模拟时间单位和物理时间。这样的时间单元对应于Stokes的时间τ=6πησ3/ kbt =4.5μs*η,其中η是周围介质的粘度[36]。为了每秒获得10个轮换,我们认为周围介质的粘度是纯净水的240倍。该值是合理的,因为在实验上报告了活细胞中的分子吹拍存在的粘度值,纯水的220,000倍[37]。 γC= 2γR的最长模拟需要三周时间才能模拟,并且最短的时间,γC= 200γR的运行,花了大约两天。通过使用增加的粘度来校准有助于节省计算时间并使通过摩擦速度更快地进行摩擦介导的环路挤出的模拟。

  此外,我们采用了计算分析工具来计算挤出的循环中的扭曲和扭曲先前[38]。

  3. 结果与讨论

  3.1. 粘着剂施加的摩擦力控制毛圈的挤出速率

 

  正如我们在介绍中提到的那样,目前有几种现有机制驱动环路挤出。最近发现Cohesin可以表现出弱的电动机,积极挤出染色质纤维。在NIPBL装载机存在下,该活性在体外实验中显示了剥夺DNA的体外实验[14]。在使用的能量方面相对较弱,但在2.1kbps的挤出速率方面,这种电动机活动相对较弱[14]。除了Cohesin作为电机的经过验证的能力,还有其他不同的机制,提出有效地挤出纤维并因此能够增强挤出[16-18]。这些包括纯粹衍射回路和转录驱动的挤出。在我们以前的转录驱动挤出模型中,我们表明,转录过程中产生的超级卷积可以非常高效,强大用于挤出环[18]。然而,我们之前的模型本质上预期的Cohonein环的手铐构象和机械推动了手铐的关节部分上的新出现的超级卷轴。因此,我们想测试具有转录诱导的超级录的模型是否仍然可以增强改性条件下的环路挤出。在这些条件下,休蛋白由具有两个纤维的单环表示,但仍然在环和纤维之间诱导摩擦。纤维和休蛋白之间的摩擦水平旨在用于控制积累的超录的水平,并且可能是环挤出速率。尽管可以通过改变电动机的速度来控制超级录的水平,但超录的产生速度是通过RNA聚合酶产生的每秒约10转的生物固定参数[39]。因此,我们假设改变产生超级录制的电动机的速度是不正确的。我们考虑改变Cohesin和纤维之间的摩擦作为最佳选择。 Stigler等人的实验工作。表明这种摩擦可以非常高,使得Cohesin的自我扩散在没有主动过程的帮助下,在生物学上合理的时间内有效的环路挤出需要太长的时间[40]。另一方面,Co的摩擦和纤维之间的摩擦不仅会通过影响纤维的轴向旋转而改变超级录制,而且还将施加更高的粘性和纤维的互平移运动,即环的扩散。这使得摩擦与池中的累积和共同扩散之间的关系相当不普通,并且需要被模拟探索。

  这决定了模拟中的第一步,当构建模型之后,我们通过施加的池内和纤维之间的不同摩擦进行了一系列模拟。这些模拟在挤出速率作为摩擦的函数方面表现出明显的效果和系统依赖性(图1A)。首先,我们观察到通过使用所谓的伪拓扑结合中的纤维的单个环来挤出环挤出[14]。在下一步中,我们使用模拟时间评估了循环的大小。计算出的循环大小L相对于模拟时间导致循环挤出速率,我们稍后在讨论结果中显示(图3)。从模拟中,我们观察到,在从电动机朝向由圆形串联环的域的方向上向圆形串联的磁盘的相对侧向远离串珠,沿着圆形串联表示的域的相对侧,沿着圆形串联的侧面的相对侧,绕环的持续运动方向地挤出。链。这种定向运动即使对于在γc=2的水平施加的情况下施加的非常低的摩擦而占上风。在池内和光纤之间非常高的摩擦的情况下,运动更加直接,循环尺寸的瞬时值的波动得多图1b)。挤出也变得非常对称。在模拟中最高γC的情况下整个环的挤出时间比最低γC=2快15倍。在采用低γ的情况下,挤出变得更加随机和不对称。仿真还表明,当γc从2〜20的增加速度升高4次时,环挤出速率对摩擦的依赖性饱和饱和,但进一步增加了γc的10至γc= 200倍速度挤出2次。这表明存在最佳摩擦的值介导环挤压,之后环挤出速率达到其最大值,后来较高的摩擦,挤出可能会降低甚至停止。然而,在我们的模拟中,我们不会探索高的摩擦,因为这需要减少集成步骤,并且在计算时间方面会使模拟不可行。

  

回路尺寸显示为Cohyin环和染色质纤维γc= 2,5,200和200之间的四个摩擦设置的时间依赖性.jpg    环路挤出的模拟.jpg

   (a)                                   (b)

  图1.环路挤出的模拟。 (a)回路尺寸显示为Cohyin环和染色质纤维γc= 2,5,200和200之间的四个摩擦设置的时间依赖性。图表表明环路挤出率增加,摩擦较大环的位置。红线显示通过提出的差分方程系统的数值求解来获得的配合来描述熵驱动挤出的过程(方程(1)和(2))。(b) 在它们的尺寸方面,循环各个臂的环形挤出的进展被计算为环在臂上的位置和电动机的位置的差异。该图表明挤出变得更随机,用于γC的较低设置,使挤出也更加不对称。

作为施加摩擦的函数,在挤出回路内的超煎料的积累中也发现了差异。我们在挤出回路内评估了挤出回路内的超级录,而超级录的数量和密度(图2)。为此,我们计算的挤压环中的卷曲和扭曲,该挤压环绕在染色质纤维上的幼枝上的核苷酸纤维的位置χc界覆盖。计算的扭曲和扭曲的总和根据富勒的定理提供了链接数ΔLK的值[41]。这可用于计算SuperCoiling的密度为σ=(LK LK0)/LK0 =ΔLK/ LK0,其中LK0是缓和状态的连接数,并且在这里,它将对应于松弛DNA的匝数的数量LK0=〜40转束[42]。在挤出回路期间,通过纤维的弛豫部分的流入来宽松地放松环路中的超级录制,而且通过纤维的轴向旋转来通过轴逸出通过环。在模拟期间,执行从几十到数百个电动机的旋转。这与循环的大小一致,即60 kbp;因此,整个纤维的挤出应该花费10多秒钟的时间。以每秒10个转率的速率引入超级录制的聚合酶的总旋转数量应为数百个。计算的链接号表示,在大伽马的情况下,放宽约87.5%的旋转。在具有低γC的模拟的情况下,由于轴向旋转以及将超级硅酸盐部分的超级滤育物流过池内环的染色蛋白中的超级螺旋部分中的超级涂层溶解到环中,回路均损失高于99%的旋转。链接号的波动在其幅度方面主要来自扭曲的波动。在具有较低设置γC的系统的情况下,整体波动更加强烈。在摩擦较低的情况下,超录的积累具有强烈的非平衡特征。另一方面,在更大的摩擦力的情况下,  超螺旋的积聚强烈地限制了轴向旋转引起的超螺旋的渗出,而超录的电机与幼耳的位置梯度快速重新建立,产生线性依赖性Δlk随时间推移。

  

超级录的模拟。.jpg    作为σ=获得的超级录制的密度ΔLK/L.红线是由求解描述超级录制的差分系统的辅助系统,其具有由池内位置限定的移动可渗透的边界.jpg

    (a)                            (b)

  图2.超级录的模拟。(a)图表显示了白色公式ΔLK=ΔTW+ΔWR的链接号的累积。链接号的累积显示为在Cohyin环和染色质纤维γc= 2,5,20和200之间的四种摩擦设置中的时间依赖性。(b)作为σ=获得的超级录制的密度ΔLK/L.红线是由求解描述超级录制的差分系统的辅助系统,其具有由池内位置限定的移动可渗透的边界。

  3.2. 转录驱动环挤出的数学模型

为了理解和解释在模拟中看到的挤出机制,可以想到纤维的超硅和扭转部分的熵竞争。奥兰蒂尼等人研究了类似的问题。对于用Sliplink分离的圆形聚合物链上的两个竞争结[43]。在本文中,作者表明,增加应对颗度的拓扑复杂性降低了聚合物的构象空间。因此,具有更复杂的结的分子部分试图通过通过由Sliplink分开的边界拉动较大的聚合物来增加其熵。因此,在一个类比图像中,人们可以思考压实的超底环,试图通过通过池蛋白环拉动纤维的宽松部分来恢复其熵。然而,用于纤维超级钻井和扭转部分的竞争模型对模拟的困难造成更多困难。这是因为,与奥兰蒂尼等的问题不同,我们的系统不是拓扑限制。超级录制可以通过轴向旋转逸出。即使我们通过摩擦限制轴向旋转,Cohesin的扩散运动仍然可以有效地从挤出回路中擦除超镀。因此,需要考虑更复杂的动力学均衡。在动力学平衡的情况下,电机连续引入超级录。在该模型中,内在的最小能量点是池内坐在聚合酶的位置时。然而,由于代表聚合酶和Cohyin环之间的珠子之间的排除体积的增加,这是不可能的。因此,系统降低其能量的唯一方法是通过从转录部位前进的Cohesin环,这将纤维的松弛部分诱导进入环路。这导致能量下降;但是,超级录上很快补充;因此,CoInin再次移动以获得新的能量最小状态(视频S1)。以这种方式,通过Cohesin运动挤出环,其遵循最小能量路径

为了对该图片进行数学描述,可能需要描述沿纤维超螺旋的非平衡演化。为此,我们使用了非平衡扩散的Fick第二定律,并按照Brackley等人的建议平衡了沿纤维的超卷曲。在他们的超卷随机模型中[ 44 ]

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  其中σ表示沿着距离X的超级录的密度,距离X的距离X表示在模拟链上和模拟时间τ上表示。尽管这里的超录的扩散性在此表示为位置Dσ(x)的变量,但其在沿光纤模拟中的围绕围绕围绕围绕围绕围绕围绕的γr的值相同,并且为所有x设置为γr= 1除外Cohesin XC的位置。该值在Cohesin XC的位置增加,使得DC=Dσ(XC)=KBT/γc=DσγR/γc,具有ε= kbt = 1。

最初,在时间τ= 0时,纤维是扭转的松弛σ(x,τ)= 0.对于次τ> 0,在数学上连续地引入超级录制的X = 0的位置在哪里,被视为边界条件的设置(∂Σ/∂T)生产速度为Σp= 10次旋转。该等式在区域X C <0,XC>内求解,该XC<0,XC>表示环的尺寸。因为Cohesin的运动是我们所提出的模型中最突出的特征之一,所以这需要包括在解决方案中。因此,我们需要描述Co的运动,并解决超级录的扩散作为移动边界集的问题AS(∂Σ/∂T)x=Xc=Dσ(∂σ/∂x)dσ(xc)(∂σ/∂x)[45]。Cohesin的运动可以通过覆盖Langevin方程的位移方程来描述,在这里我们忽视了等式的嘈杂部分。

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