Взаимодействие между факторами транскрипции bHLH и гистонами для доступа к ДНК

Nature, том 619, страницы 385–393 (2023 г.) Процитировать эту статью

17 тысяч доступов

2 цитаты

87 Альтметрика

Подробности о метриках

Базовое семейство факторов транскрипции спираль-петля-спираль (bHLH) распознает мотивы ДНК, известные как E-боксы (CANNTG), и включает 108 членов1. Здесь мы исследуем, как хроматинизированные E-боксы взаимодействуют с двумя структурно различными белками bHLH: протоонкогеном MYC-MAX и циркадным транскрипционным фактором CLOCK-BMAL1 (ссылки 2,3). Оба фактора транскрипции связываются с E-боксами преимущественно вблизи сайтов входа-выхода нуклеосом. Структурные исследования с искусственными или нативными последовательностями нуклеосом показывают, что MYC-MAX или CLOCK-BMAL1 запускают высвобождение ДНК из гистонов для получения доступа. На вершине кислого участка H2A-H2B4 домены димеризации CLOCK-BMAL1 Per-Arnt-Sim (PAS) взаимодействуют с гистоновым октамерным диском. Связывание тандемных E-боксов5,6,7 с эндогенными последовательностями ДНК происходит посредством прямых взаимодействий между двумя протомерами CLOCK-BMAL1 и гистонами и важно для циркадного цикла. Во внутренних E-боксах лейциновая застежка MYC-MAX также может взаимодействовать с гистонами H2B и H3, и ее связывание косвенно усиливается OCT4 в другом месте нуклеосомы. Положение нуклеосомного E-box и тип домена димеризации bHLH совместно определяют контакт гистонов, сродство и степень конкуренции и кооперативности с другими факторами, связанными с нуклеосомами.

Семейство транскрипционных факторов (TF) bHLH человека состоит из 108 членов, которые образуют пары гомо- и гетеродимеров1,8. Члены семейства bHLH контролируют важные биологические процессы, начиная от роста клеток, пролиферации и метаболизма9, нейрогенеза10 и миогенеза11 до реакции на гипоксию12 и циркадных ритмов13,14. Складка ДНК bHLH содержит N-концевую основную спираль, которая взаимодействует с основной бороздкой ДНК, за которой следуют петля и вторая α-спираль15. ДНК-связывающие домены bHLH могут быть присоединены к различным типам доменов димеризации, таким как домены лейциновой молнии (LZ) (например, MYC, MAX и MAD), домены PAS (например, CLOCK, BMAL1 и HIF1α) или оранжевые домены (например, например, ГЭК1–ГЭК7)1. Различные семейства белков bHLH распознают основной мотив ДНК, называемый Ephrussi или Enhancer-box (E-box), который представляет собой короткую палиндромную последовательность с вырожденным мотивом CANNTG, присутствующим около 15 миллионов раз в геноме человека16. Мы сосредоточились на двух структурно и эволюционно различных членах bHLH из клад bHLH-LZ и bHLH-PAS, представленных регулятором пролиферации MYC-MAX и циркадным TF CLOCK-BMAL1 соответственно.

Протоонкоген MYC играет важную роль в клеточной схеме регуляции клеточного роста17. В большинстве типов опухолей наблюдается дерегулированная экспрессия MYC из-за прямых изменений локуса (например, амплификации или транслокации гена) или из-за активации вышестоящих сигнальных путей (Wnt, Notch и т. д.), что приводит к онкогенной трансформации, управляемой MYC18. В качестве активатора транскрипции MYC работает с MAX (далее MYC-MAX). MAX, в свою очередь, образует гомодимеры и гетеродимеры с другими белками bHLH-LZ MXD1-MXD4, MNT и MGA, которые действуют как репрессоры транскрипции9.

Гетеродимерный bHLH-PAS TF CLOCK-BMAL1 является важнейшим компонентом молекулярных часов, который обеспечивает примерно 24-часовой период для ритмической экспрессии почти 40% генома (в тканях), включая важные гены метаболизма, секреции гормонов и клеточный цикл19,20. CLOCK-BMAL1 взаимодействует с элементами E-box и корегуляторами, включая специальные циркадные репрессоры Period (PER) и Cryptochrome (CRY), управляя транскрипционными колебаниями в течение дня21.

Важным регуляторным механизмом, который управляет доступом TF к сайтам-мишеням генома, является окружение хроматина, в котором нуклеосомы ограничивают связывание TF с ДНК22,23. Подсчитано, что белки bHLH связывают менее 1% общего количества E-боксов в данный момент времени24. Однако механизмы, с помощью которых отдельные TF bHLH считывают встроенные в нуклеосомы E-боксы внутри хроматина, и с помощью которых члены bHLH взаимодействуют с другими TF, неизвестны.