vestnik-bio-msuВестник Московского университета. Серия 16. БиологияVestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 16. Biologiya0137-0952Lomonosov Moscow State University, School of Biologyvestnik-bio-msu-474Research ArticleМолекулярная биологияMolecular biologyВЛИЯНИЕ ИОНОВ НАТРИЯ И КАЛИЯ НА КОНФОРМАЦИЮ ЛИНКЕРНЫХ УЧАСТКОВ НУКЛЕОСОМINFLUENCE OF SODIUM AND POTASSIUM IONS ON CONFORMATION OF LINKER PARTS OF NUCLEOSOMESЛюбителевА. В.LyubitelevA. V.

Кафедра биоинженерии, биологический факультет

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

аспирант кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ. Тел 8 495-938-22-91

Bioengineering Department, School of Biology

Leninskiye Gory 1–12, Moscow, 119234, Russia

varanus-salvator@yandex.ruСтудитскийВ. М.StuditskyV. M.

Кафедра биоинженерии, биологический факультет

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

Cottman avenue 333, Philadelphia, 19111 Pennsylvania, USA

докт. биол. наук, гл. науч. сотр. кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ. Тел. 8-495-938-22-91

Bioengineering Department, School of Biology

Leninskiye Gory 1–12, Moscow, 119234, Russia

333 Cottman avenue, Philadelphia, Pennsylvania 19111, USA

vasily.studitsky@fccc.eduФеофановА. В.FeofanovA. V.

Кафедра биоинженерии, биологический факультет

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

Россия, 117997, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 16/10

докт. биол. наук, проф. кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ, руководитель лаборатории оптической микроскопии и спектроскопии биомолекул ИБХ РАН. Тел. 8-495-336-64-55

Bioengineering Department, School of Biology

Leninskiye Gory 1–12, Moscow, 119234, Russia

avfeofanov@yandex.ruКирпичниковМ. П.KirpichnikovM. P.

Кафедра биоинженерии, биологический факультет

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

Россия, 117997, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 16/10

акад. РАН, проф., докт. биол. наук, зав. кафедрой биоинженерии биологического факультета МГУ, зав. отделом биоинженерии ИБХ РАН. Тел.: 8-495-939-27-76

Bioengineering Department, School of Biology

Leninskiye Gory 1–12, Moscow, 119234, Russia

Miklukho-Maklaya ul. 16/10, 117997, Moscow, Russia

kirpichnikov@inbox.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, РАНРоссияLomonosov Moscow State UniversityRussian FederationМосковский государственный университет имени М.В. Ломоносова Институт биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова, РАНРоссияLomonosov Moscow State University Shemyakin-Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of SciencesRussian Federation201728072017723169173Copyright © Любителев А.В., Студитский В.М., Феофанов А.В., Кирпичников М.П., 20172017Любителев А.В., Студитский В.М., Феофанов А.В., Кирпичников М.П.Lyubitelev A.V., Studitsky V.M., Feofanov A.V., Kirpichnikov M.P.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik-bio-msu.elpub.ru/jour/article/view/474

Структура хроматина и доступность ДНК для белков зависят от структуры “линкерной” ДНК, расположенной на входе в нуклеосому и выходе из неё. Поскольку ДНК является отрицательно заряженным полимером, конформация линкерной ДНК, в свою очередь, зависит от ионного микроокружения. В настоящей работе методом флуоресцентной микроскопии одиночных комплексов исследовано влияние ионов Na+ и K+ на структуру линкерной ДНК мононуклеосом. Выявлено, что нуклеосомы находятся в одном из двух конформационных состояний, заселённость которых существенно меняется после замены ионов K+ на Na+. Эти изменения, вероятно, обусловлены различным взаимодействием Na+ и K+ с ДНК в областях входа ДНК в нуклеосому и выхода из неё. Катион-зависимые изменения конформации линкерной ДНК могут менять топологические барьеры в нуклеосоме, структуру полинуклеосомного хроматина и влиять на взаимодействия с различными белковыми факторами.

The structure of chromatin and DNA accessibility to proteins depend on the structure of DNA “linkers” entering and exiting the nucleosome. Since DNA is negatively charged, conformation of the DNA linkers, in turn, is likely affected by ionic microenvironment. Here method of fluorescence microscopy of single complexes was used to study the effect of Na+ and K+ ions on the structure of the DNA linkers. It was revealed that nucleosomes adopt one of two conformational states, and occupancy of these states is considerably changed after substitution of K+ ions by Na+. These changes are likely caused by different interaction of Na+ and K+ ions with DNA in the regions of entry and exit of DNA from the nucleosome. Cation- dependent changes in conformation of the DNA linkers can affect topological barriers in nucleosomes, structure of polynucleosome chromatin and interactions of DNA with different protein factors.

хроматиннуклеосомалинкерыионы натрияионы калияфлуоресценциямикроскопияодиночная молекулаchromatinnucleosomelinkerssodium ionspotassium ionsfluorescencemicroscopysingle moleculeReferencesNgo T.T., Zhang Q., Zhou R., Yodh J.G., Ha T. Asymmetric unwrapping of nucleosomes under tension directed by DNA local flexibility // Cell. 2015. Vol. 160 N 6. P. 1135–1144.Ngo T.T., Zhang Q., Zhou R., Yodh J.G., Ha T. Asymmetric unwrapping of nucleosomes under tension directed by DNA local flexibility // Cell. 2015. Vol. 160 N 6. P. 1135–1144.Li G., Levitus M., Bustamante C., Widom J. Rapid spontaneous accessibility of nucleosomal DNA // Nat. Struct. Mol. Biol. 2005. Vol. 12. N 1. P. 46–53.Li G., Levitus M., Bustamante C., Widom J. Rapid spontaneous accessibility of nucleosomal DNA // Nat. Struct. Mol. Biol. 2005. Vol. 12. N 1. P. 46–53.Gansen A., Toth K., Schwarz N.,Langowski J. Structural variability of nucleosomes detected by single-pair Forster resonance energy transfer: histone acetylation, sequence variation, and salt effects // J. Phys. Chem. B. 2009. Vol. 113. N 9. P. 2604–2613.Gansen A., Toth K., Schwarz N.,Langowski J. Structural variability of nucleosomes detected by single-pair Forster resonance energy transfer: histone acetylation, sequence variation, and salt effects // J. Phys. Chem. B. 2009. Vol. 113. N 9. P. 2604–2613.Gansen A., Valeri A., Hauger F., Felekyan S., Kalinin S., Toth K., Langowski J., Seidel C.A. Nucleosome disassembly intermediates characterized by single-molecule FRET // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2009. Vol. 106. N 36. P. 15308–15313.Gansen A., Valeri A., Hauger F., Felekyan S., Kalinin S., Toth K., Langowski J., Seidel C.A. Nucleosome disassembly intermediates characterized by single-molecule FRET // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2009. Vol. 106. N 36. P. 15308–15313.Zinchenko A.A., Yoshikawa K. Na+ shows a markedly higher potential than K+ in DNA compaction in a crowded environment // Biophys. J. 2005. Vol. 88. N 6. P. 4118–4123.Zinchenko A.A., Yoshikawa K. Na+ shows a markedly higher potential than K+ in DNA compaction in a crowded environment // Biophys. J. 2005. Vol. 88. N 6. P. 4118–4123.Savelyev A., Papoian G.A. Electrostatic, steric, and hydration interactions favor Na(+) condensation around DNA compared with K(+) // J. Am. Chem. Soc. 2006. Vol. 128. N 45. P. 14506–14518.Savelyev A., Papoian G.A. Electrostatic, steric, and hydration interactions favor Na(+) condensation around DNA compared with K(+) // J. Am. Chem. Soc. 2006. Vol. 128. N 45. P. 14506–14518.Materese C.K., Savelyev A., Papoian G.A. Counterion atmosphere and hydration patterns near a nucleosome core particle // J. Am. Chem. Soc. 2009. Vol. 131. N 41. P. 15005– 15013.Materese C.K., Savelyev A., Papoian G.A. Counterion atmosphere and hydration patterns near a nucleosome core particle // J. Am. Chem. Soc. 2009. Vol. 131. N 41. P. 15005– 15013.Gaykalova D.A., Kulaeva O.I., Bondarenko V.A., Studitsky V.M. Preparation and analysis of uniquely positioned mononucleosomes // Chromatin Protocols. Methods Mol. Biol. Vol. 523 / Ed. S.P. Chellappan. 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 // Chromatin Protocols. Methods Mol. Biol. Vol. 523 / Ed. S.P. Chellappan. Humana Press, 2009. P. 109–123.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 // Chromatin Protocols. Methods Mol. Biol. Vol. 1288 / Ed. S.P. Chellappan. N.Y.: Springer, 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 // Chromatin Protocols. Methods Mol. Biol. Vol. 1288 / Ed. S.P. Chellappan. N.Y.: Springer, 2015. P. 395–412.Lyubitelev A.V., Kudryashova K.S., Mikhaylova M.S., Malyuchenko N.V., Chertkov O.V., Studitsky V.M., Feofanov A.V., Kirpichnikov M.P. Change in conformation of linker DNA upon binding of histone H1.5 to nucleosome: fluorescent microscopy of single complexes // Moscow Univ. Biol. Sci. Bull. 2016. Vol. 71. N 2. P. 108–113.Lyubitelev A.V., Kudryashova K.S., Mikhaylova M.S., Malyuchenko N.V., Chertkov O.V., Studitsky V.M., Feofanov A.V., Kirpichnikov M.P. Change in conformation of linker DNA upon binding of histone H1.5 to nucleosome: fluorescent microscopy of single complexes // Moscow Univ. Biol. Sci. Bull. 2016. Vol. 71. N 2. P. 108–113.Manning G.S. The persistence length of DNA is reached from the persistence length of its null isomer through an internal electrostatic stretching force // Biophys. J. 2006. Vol. 91. N 10. P. 3607–3616.Manning G.S. The persistence length of DNA is reached from the persistence length of its null isomer through an internal electrostatic stretching force // Biophys. J. 2006. Vol. 91. N 10. P. 3607–3616.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.Sultanov D., Gerasimova N., Kudryashova K., Maluchenko N., Kotova E., Langelier M.F., Pascal J., Kirpichnikov M., Feofanov A., Studitsky V. Unfolding of core nucleosomes by PARP- 1 revealed by spFRET microscopy // AIMS Genetics. 2017. Vol. 4. N 1. P. 21–31.Sultanov D., Gerasimova N., Kudryashova K., Maluchenko N., Kotova E., Langelier M.F., Pascal J., Kirpichnikov M., Feofanov A., Studitsky V. Unfolding of core nucleosomes by PARP- 1 revealed by spFRET microscopy // AIMS Genetics. 2017. Vol. 4. N 1. P. 21–31.Choy J.S., Lee T.H. Structural dynamics of nucleosomes at single-molecule resolution // Trends Biochem. Sci. 2012. Vol. 37. N 10. P. 425–435.Choy J.S., Lee T.H. Structural dynamics of nucleosomes at single-molecule resolution // Trends Biochem. Sci. 2012. Vol. 37. N 10. P. 425–435.Wei S., Falk S.J., Black B.E., Lee T.H. A novel hybrid single molecule approach reveals spontaneous DNA motion in the nucleosome // Nucleic Acids Res. 2015. Vol. 43. N 17. e111.Wei S., Falk S.J., Black B.E., Lee T.H. A novel hybrid single molecule approach reveals spontaneous DNA motion in the nucleosome // Nucleic Acids Res. 2015. Vol. 43. N 17. e111.Koopmans W.J., Brehm A., Logie C., Schmidt T., van Noort J. Single-pair FRET microscopy reveals mononucleosome dynamics // J. Fluoresc. 2007. Vol. 17. N 6. P. 785–795.Koopmans W.J., Brehm A., Logie C., Schmidt T., van Noort J. Single-pair FRET microscopy reveals mononucleosome dynamics // J. Fluoresc. 2007. Vol. 17. N 6. P. 785–795.Kenzaki H., Takada S. Partial unwrapping and histone tail dynamics in nucleosome revealed by coarse-grained molecular simulations // PLoS Comput. Biol. 2015. Vol. 11. N 8. e1004443.Kenzaki H., Takada S. Partial unwrapping and histone tail dynamics in nucleosome revealed by coarse-grained molecular simulations // PLoS Comput. Biol. 2015. Vol. 11. N 8. e1004443.Li Z., Kono H. Distinct roles of histone H3 and H2A tails in nucleosome stability // Sci. Rep. 2016. Vol. 6. 31437.Li Z., Kono H. Distinct roles of histone H3 and H2A tails in nucleosome stability // Sci. Rep. 2016. Vol. 6. 31437.Forties R.A., North J.A., Javaid S., Tabbaa O.P., Fishel R., Poirier M.G., Bundschuh R. A quantitative model of nucleosome dynamics // Nucleic Acids Res. 2011. Vol. 39. N 19. P. 8306–8313.Forties R.A., North J.A., Javaid S., Tabbaa O.P., Fishel R., Poirier M.G., Bundschuh R. A quantitative model of nucleosome dynamics // Nucleic Acids Res. 2011. Vol. 39. N 19. P. 8306–8313.

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