vestnik-bio-msuВестник Московского университета. Серия 16. БиологияVestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 16. Biologiya0137-0952Lomonosov Moscow State University, School of Biologyvestnik-bio-msu-1023Research ArticleОРИГИНАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕRESEARCH ARTICLEВлияние линкерной ДНК на структуру нуклеосом по данным флуоресцентной микроскопии одиночных частицInfluence of linker DNA on nucleosome structure according to single-particle fluorescence microscopy dataАндрееваТ. В.AndreevaT. V.

Андреева Татьяна Викторовна – аспирантка кафедры биоинженерии

119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12

Тел.: 8-495-938-22-91

Leninskie Gory 1–12, Moscow, 119234

andreeva.tatyana.2014@post.bio.msu.ruЛюбителевA. В.LyubitelevA. V.

Любителев Александр Викторович – мл. науч. сотр. кафедры биоинженерии, биологический факультет

119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12

Тел.: 8-495-938-22-91

Leninskie Gory 1–12, Moscow, 119234

varanus-salvator@yandex.ruMалюченкоН. В.MalyuchenkoN. V.

Малюченко Наталия Валериевна – канд. биол. наук, доц. кафедры биоинженерии, биологический факультет 

119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12

Тел.: 8 495-938-00-05

Leninskie Gory 1–12, Moscow, 119234

mal_nat@mail.ruСтудитскийВ. М.StuditskyV. M.

Студитский Василий Михайлович – докт. биол. наук, проф. кафедры биоинженерии, биологический факультет

119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12;  Cottman Avenue 333, Philadelphia, 19111 Pennsylvania, USA

Тел.: +1-888-369-2427

Leninskie Gory 1–12, Moscow, 119234;  Cottman Avenue 333, Philadelphia, 19111, Pennsylvania, USA

vasily.studitsky@fccc.eduhttps://orcid.org/0000-0001-8170-1607КирпичниковМ. П.KirpichnikovM. P.

Кирпичников Михаил Петрович – акад., проф., докт. биол. наук, зав. кафедрой биоинженерии, биологический факультет

119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12; 117997, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 16/10 

Тел.: 8-495- 939-27-76

Leninskie Gory 1–12, Moscow, 119234; ul. Miklukho-Maklaya 16/10, 117997, Moscow

kirpichnikov@inbox.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1596-9506ФеофановА. В.FeofanovA. V.

Феофанов Алексей Валерьевич – докт. биол. наук, проф. кафедры биоинженерии, биологический факультет,

119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12; 117997, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 16/10

Тел.: 8-495-938-22-91

Leninskie Gory 1–12, Moscow, 119234; ul. Miklukho-Maklaya 16/10, 117997, Moscow

avfeofanov@yandex.ruМосковский государственный университет имени М.В. ЛомоносоваРоссияLomonosov Moscow State UniversityRussian FederationМосковский государственный университет имени М.В. Ломоносова; Fox Chase Cancer CenterРоссияLomonosov Moscow State University; Fox Chase Cancer CenterRussian FederationМосковский государственный университет имени М.В. Ломоносова; Институт биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова, Российская академия наукРоссияLomonosov Moscow State University; Shemyakin-Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of SciencesRussian Federation202103082021763142147Copyright © Андреева Т.В., Любителев A.В., Mалюченко Н.В., Студитский В.М., Кирпичников М.П., Феофанов А.В., 20212021Андреева Т.В., Любителев A.В., Mалюченко Н.В., Студитский В.М., Кирпичников М.П., Феофанов А.В.Andreeva T.V., Lyubitelev A.V., Malyuchenko N.V., Studitsky V.M., Kirpichnikov M.P., Feofanov A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik-bio-msu.elpub.ru/jour/article/view/1023

Мононуклеосомы, собранные на ДНК-матрицах различной длины, содержащих нуклеосом-позиционирующую последовательность, широко применяются в молекулярнобиологических исследованиях, но их структурные особенности требуют детального изучения. Методом флуоресцентной микроскопии одиночных частиц на основе Ферстеровского резонансного переноса энергии проведено сравнительное исследование структуры нуклеосом с двумя линкерными участками ДНК длиной по 20 п.н. (2LN) и корнуклеосом без линкеров (CN) в растворах, содержащих 150 мМ KCl, 5 мМ MgCl2 (или без MgCl2), а также в растворах с повышенной ионной силой (0,5 и 0,7 М KCl). Обнаружено, что эти нуклеосомы присутствуют в виде двух доминирующих субпопуляций, отличающихся по укладке ДНК на октамере гистонов. Установлено, что CN и 2LN различаются по соотношению этих субпопуляций и отличия возрастают в присутствии ионов Mg2+. При повышении ионной силы происходят конформационные перестройки в коровой области нуклеосом, характер которых отличается у 2LN и СN при 0,5 М KCl, но становится сходным при 0,7 М KCl. Полученные данные указывают на то, что, несмотря на похожие конформации, характерные для 2LN и CN, одни и те же факторы могут оказывать различное влияние на структуру этих нуклеосом. Это необходимо учитывать в том числе и при изучении взаимодействия мононуклеосом с различными ядерными белками in vitro.

Mononucleosomes assembled using DNA templates of various lengths that contain a nucleosome-positioning sequence are widely used in molecular biological studies, but their structural features require detailed investigation. The single-particle fluorescence microscopy based on the Förster resonance energy transfer was used to compare the structure of nucleosomes with two 20 bp length DNA linkers and core-nucleosomes without linkers (CN) in solutions containing 150 mM KCl, 5 mM MgCl2 (or without MgCl2), as well as in solutions with increased ionic strength (0.5 and 0.7 M KCl). It was found that these nucleosomes are present in solutions as two dominant subpopulations, which differ in the DNA folding on the histone octamer. It was revealed that CN and 2LN differ in the ratio of these subpopulations, and the differences increase in the presence of Mg2+ ions. With an increase in the ionic strength, conformational reorganizations occur in the core region of the nucleosomes. The character of the reorganizations differs in 2LN and CN at 0.5 M KCl, but becomes similar at 0.7 M KCl. The obtained data indicate that, despite the similar conformations of 2LN and CN, the same factors can induce different effect on the structure of these nucleosomes, and it should be taken into account when, for example, studying the interactions of mononucleosomes with various nuclear proteins in vitro.

структура нуклеосомвлияние ионовфлуоресценциямикроскопияодиночная молекулаконформационные перестройкиnucleosome structureinfluence of ionsfluorescencemicroscopysingle moleculeconformational changesРабота выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 19-74-30003).ReferencesZhou K., Gaullier G., Luger K. Nucleosome structure and dynamics are coming of age // Nat. Struct. Mol. Biol. 2019. Vol. 26. N 1. P. 3–13.Zhou K., Gaullier G., Luger K. Nucleosome structure and dynamics are coming of age // Nat. Struct. Mol. Biol. 2019. Vol. 26. N 1. P. 3–13.Gaykalova D.A., Kulaeva O.I., Bondarenko V.A., Studitsky V.M. Preparation and analysis of uniquely positioned mononucleosomes // Methods in Molecular Biology, vol. 523 / Eds. S. Chellappan. N.Y.: Humana press, 2009. P. 109–123.Gaykalova D.A., Kulaeva O.I., Bondarenko V.A., Studitsky V.M. Preparation and analysis of uniquely positioned mononucleosomes // Methods in Molecular Biology, vol. 523 / Eds. S. Chellappan. N.Y.: Humana press, 2009. P. 109–123.Mizuguchi G., Shen X., Landry J., Wu W.H., Sen S., Wu C. ATP-driven exchange of histone H2AZ variant catalyzed by SWR1 chromatin remodeling complex // Science. 2004. Vol. 303. N 5656. P. 343–348.Mizuguchi G., Shen X., Landry J., Wu W.H., Sen S., Wu C. ATP-driven exchange of histone H2AZ variant catalyzed by SWR1 chromatin remodeling complex // Science. 2004. Vol. 303. N 5656. P. 343–348.Valieva M.E., Armeev G.A., Kudryashova K.S., Gerasimova N.S., Shaytan A.K., Kulaeva O.I., McCullough L.L., Formosa T., Georgiev P.G., Kirpichnikov M.P., Studitsky V.M., Feofanov A.V. Large-scale ATP-independent nucleosome unfolding by a histone chaperone // Nat. Struct. Mol. Biol. 2016. Vol. 23. N 12. P. 1111–1116.Valieva M.E., Armeev G.A., Kudryashova K.S., Gerasimova N.S., Shaytan A.K., Kulaeva O.I., McCullough L.L., Formosa T., Georgiev P.G., Kirpichnikov M.P., Studitsky V.M., Feofanov A.V. Large-scale ATP-independent nucleosome unfolding by a histone chaperone // Nat. Struct. Mol. Biol. 2016. Vol. 23. N 12. P. 1111–1116.Gaykalova D.A., Kulaeva O.I., Volokh O., Shaytan A.K., Hsieh F.K., Kirpichnikov M.P., Sokolova O.S., Studitsky V.M. Structural analysis of nucleosomal barrier to transcription // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2015. Vol. 112. N 43. P. 5787–5795.Gaykalova D.A., Kulaeva O.I., Volokh O., Shaytan A.K., Hsieh F.K., Kirpichnikov M.P., Sokolova O.S., Studitsky V.M. Structural analysis of nucleosomal barrier to transcription // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2015. Vol. 112. N 43. P. 5787–5795.Kim J., Wei S., Lee J., Yue H., Lee T.H. Singlemolecule observation reveals spontaneous protein dynamics in the nucleosome // J. Phys. Chem. B. 2016. Vol. 120. N 34. P. 8925–8931.Kim J., Wei S., Lee J., Yue H., Lee T.H. Singlemolecule observation reveals spontaneous protein dynamics in the nucleosome // J. Phys. Chem. B. 2016. Vol. 120. N 34. P. 8925–8931.Chen Y., Tokuda J.M., Topping T., Sutton J.L., Meisburger S.P., Pabit S.A., Gloss L.M. Pollack L. Revealing transient structures of nucleosomes as DNA unwinds // Nucleic Acids Res. 2014. Vol. 42. N 13. P. 8767–8776.Chen Y., Tokuda J.M., Topping T., Sutton J.L., Meisburger S.P., Pabit S.A., Gloss L.M. Pollack L. Revealing transient structures of nucleosomes as DNA unwinds // Nucleic Acids Res. 2014. Vol. 42. N 13. P. 8767–8776.Huang Y.C., Su C.J., Korolev N., Berezhnoy N.V., Wang S., Soman A., Chen C.Y., Chen H.L., Jeng U.S., Nordenskiöld L. The effect of linker DNA on the structure and interaction of nucleosome core particles // Soft Matter. 2018. Vol. 14. N 45. P. 9096–9106.Huang Y.C., Su C.J., Korolev N., Berezhnoy N.V., Wang S., Soman A., Chen C.Y., Chen H.L., Jeng U.S., Nordenskiöld L. The effect of linker DNA on the structure and interaction of nucleosome core particles // Soft Matter. 2018. Vol. 14. N 45. P. 9096–9106.Andreeva T., Maluchenko N., Chertkov O., Studitsky V., Feofanov A., Kirpichnikov M. Length of DNA linker affects nucleosomal DNA structure // Microsc. Microanal. 2020. Vol. 26. Suppl. S2. P. 1390–1392.Andreeva T., Maluchenko N., Chertkov O., Studitsky V., Feofanov A., Kirpichnikov M. Length of DNA linker affects nucleosomal DNA structure // Microsc. Microanal. 2020. Vol. 26. Suppl. S2. P. 1390–1392.Clark N.J., Kramer M., Muthurajan U.M., Luger K. Alternative modes of binding of poly(ADP-ribose) polymerase 1 to free DNA and nucleosomes // J. Biol. Chem. 2012. Vol. 287. N 39. P. 32430–32439.Clark N.J., Kramer M., Muthurajan U.M., Luger K. Alternative modes of binding of poly(ADP-ribose) polymerase 1 to free DNA and nucleosomes // J. Biol. Chem. 2012. Vol. 287. N 39. P. 32430–32439.White A.E., Hieb A.R., Luger K. A quantitative investigation of linker histone interactions with nucleosomes and chromatin // Sci. Rep. 2016. Vol. 6: 19122.White A.E., Hieb A.R., Luger K. A quantitative investigation of linker histone interactions with nucleosomes and chromatin // Sci. Rep. 2016. Vol. 6: 19122.d’Erme M., Yang G., Sheagly E., Palitti F., Bustamante C. Effect of poly(ADP-ribosyl)ation and Mg2+ ions on chromatin structure revealed by scanning force microscopy // Biochemistry. 2001. Vol. 40. N 37. P. 10947–10955.d’Erme M., Yang G., Sheagly E., Palitti F., Bustamante C. Effect of poly(ADP-ribosyl)ation and Mg2+ ions on chromatin structure revealed by scanning force microscopy // Biochemistry. 2001. Vol. 40. N 37. P. 10947–10955.Schwarz P.M., Hansen J.C. Formation and stability of higher order chromatin structures. Contributions of the histone octamer // J. Biol. Chem. 1994. N 269. N 23. P. 16284–16289.Schwarz P.M., Hansen J.C. Formation and stability of higher order chromatin structures. Contributions of the histone octamer // J. Biol. Chem. 1994. N 269. N 23. P. 16284–16289.Guéroult M., Boittin O., Mauffret O., Etchebest C., Hartmann B. Mg2+ in the major groove modulates B-DNA structure and dynamics // PLoS One. 2012. Vol. 7. N 7: e41704.Guéroult M., Boittin O., Mauffret O., Etchebest C., Hartmann B. Mg2+ in the major groove modulates B-DNA structure and dynamics // PLoS One. 2012. Vol. 7. N 7: e41704.Armeev G.A., Gribkova A.K., Pospelova I., Komarova G.A., Shaytan A.K. Linking chromatin composition and structural dynamics at the nucleosome level // Curr. Opin. Struct. Biol. 2019. Vol. 56. P. 46–55.Armeev G.A., Gribkova A.K., Pospelova I., Komarova G.A., Shaytan A.K. Linking chromatin composition and structural dynamics at the nucleosome level // Curr. Opin. Struct. Biol. 2019. Vol. 56. P. 46–55.Lai W.K.M., Pugh B.F. Understanding nucleosome dynamics and their links to gene expression and DNA replication // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2017. Vol. 18. N 9. P. 548–562.Lai W.K.M., Pugh B.F. Understanding nucleosome dynamics and their links to gene expression and DNA replication // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2017. Vol. 18. N 9. P. 548–562.Shi X., Prasanna C., Nagashima T., Yamazaki T., Pervushin K., Nordenskiöld L. Structure and dynamics in the nucleosome revealed by solid-state NMR // Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2018. Vol. 130. N 31. P. 9882–9886.Shi X., Prasanna C., Nagashima T., Yamazaki T., Pervushin K., Nordenskiöld L. Structure and dynamics in the nucleosome revealed by solid-state NMR // Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2018. Vol. 130. N 31. P. 9882–9886.Kudryashova K.S., Chertkov O.V., Nikitin D.V., Pestov N.A., Kulaeva O.I., Efremenko A.V., Solonin A.S., Kirpichnikov M.P., Studitsky V.M., Feofanov A.V. Preparation of mononucleosomal templates for analysis of transcription with RNA polymerase using spFRET // Methods in Molecular Biology, vol. 1288 / Eds. S. Chellappan. N.Y.: Humana press, 2015. P. 395–412.Kudryashova K.S., Chertkov O.V., Nikitin D.V., Pestov N.A., Kulaeva O.I., Efremenko A.V., Solonin A.S., Kirpichnikov M.P., Studitsky V.M., Feofanov A.V. Preparation of mononucleosomal templates for analysis of transcription with RNA polymerase using spFRET // Methods in Molecular Biology, vol. 1288 / Eds. S. Chellappan. N.Y.: Humana press, 2015. P. 395–412.Feofanov A.V., Andreeva T.V., Studitsky V.M., Kirpichnikov M.P. Reversibility of structural rearrangements in mononucleosomes induced by ionic strength // Moscow Univ. Biol. Sci. Bull. 2018. Vol. 73. N 3. P. 157–161.Feofanov A.V., Andreeva T.V., Studitsky V.M., Kirpichnikov M.P. Reversibility of structural rearrangements in mononucleosomes induced by ionic strength // Moscow Univ. Biol. Sci. Bull. 2018. Vol. 73. N 3. P. 157–161.Buning R., Van Noort J. Single-pair FRET experiments on nucleosome conformational dynamics // Biochimie. 2010. Vol. 92. N 12. P. 1729–1740.Buning R., Van Noort J. Single-pair FRET experiments on nucleosome conformational dynamics // Biochimie. 2010. Vol. 92. N 12. P. 1729–1740.Robbins T.J., Ziebarth J.D., Wang Y. Comparison of monovalent and divalent ion distributions around a DNA duplex with molecular dynamics simulation and a PoissonBoltzmann approach // Biopolymers. 2014. Vol. 101. N 8. P. 834–848.Robbins T.J., Ziebarth J.D., Wang Y. Comparison of monovalent and divalent ion distributions around a DNA duplex with molecular dynamics simulation and a PoissonBoltzmann approach // Biopolymers. 2014. Vol. 101. N 8. P. 834–848.Böhm V., Hieb A.R., Andrews A.J., Gansen A., Rocker A., Tóth K., Luger K., Langowski J. Nucleosome accessibility governed by the dimer/tetramer interface // Nucleic Acids Res. 2011. Vol. 39. N 1. P. 3093–3102.Böhm V., Hieb A.R., Andrews A.J., Gansen A., Rocker A., Tóth K., Luger K., Langowski J. Nucleosome accessibility governed by the dimer/tetramer interface // Nucleic Acids Res. 2011. Vol. 39. N 1. P. 3093–3102.Chen Y., Tokuda J.M., Topping T., Meisburger S.P., Pabit S.A., Gloss L.M., Pollack L. Asymmetric unwrapping of nucleosomal DNA propagates asymmetric opening and dissociation of the histone core // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2017. Vol. 114. N 2. P. 334–339.Chen Y., Tokuda J.M., Topping T., Meisburger S.P., Pabit S.A., Gloss L.M., Pollack L. Asymmetric unwrapping of nucleosomal DNA propagates asymmetric opening and dissociation of the histone core // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2017. Vol. 114. N 2. P. 334–339.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.