vestnik-bio-msuВестник Московского университета. Серия 16. БиологияVestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 16. Biologiya0137-0952Lomonosov Moscow State University, School of Biologyvestnik-bio-msu-630Research ArticleМолекулярная биологияMolecular biologyОБРАТИМОСТЬ ИНДУЦИРОВАННЫХ ИОННОЙ СИЛОЙ СТРУКТУРНЫХ ПЕРЕСТРОЕК В МОНОНУКЛЕОСОМАХREVERSIBILITY OF STRUCTURAL REARRANGEMENTS IN MONONUCLEOSOMES INDUCED BY IONIC STRENGTHФеофановА. В.FeofanovA. V.

докт. биол. наук, проф. кафедры биоинженерии биологического факультета, 119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12;

руководитель лаборатории оптической микроскопии и спектроскопии биомолекул, 117997, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 16/10

Bioengineering Department, Biological Faculty, Leninskiye Gory 1–12, Moscow, 119234;

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

avfeofanov@yandex.ruАндрееваТ. В.AndreevaT. V.

студентка кафедры биоинженерии биологического факультета,

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

Bioengineering Department, Biological Faculty, 

Leninskiye Gory 1–12, Moscow, 119234

tanyafromtver@yandex.ruСтудитскийВ. М.StuditskyV. M.

докт. биол. наук, гл. науч. сотр. кафедры биоинженерии биологического факультета, 119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12;

Cottman Avenue 333, Philadelphia, 19111 Pennsylvania, USA

Bioengineering Department, Biological Faculty, Leninskiye Gory 1–12, Moscow, 119234;

Cottman Avenue 333, Philadelphia, 19111 Pennsylvania, USA

vasily.studitsky@fccc.eduКирпичниковМ. П.KirpichnikovM. P.

акад. РАН, проф., докт. биол. наук, зав. кафедрой биоинженерии биологического факультета, 119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12;

зав. отделом биоинженерии ИБХ РАН, 117997, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 16/10

Bioengineering Department, Biological Faculty, Leninskiye Gory 1–12, Moscow, 119234;

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

kirpichnikov@inbox.ruМосковский 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 FederationМосковский государственный университет имени М.В. ЛомоносоваРоссияLomonosov Moscow State UniversityRussian FederationМосковский государственный университет имени М.В. Ломоносова; Fox Chase Cancer CenterСоединённые Штаты АмерикиLomonosov Moscow State University; Fox Chase Cancer CenterUnited States201822082018733191196Copyright © Феофанов А.В., Андреева Т.В., Студитский В.М., Кирпичников М.П., 20182018Феофанов А.В., Андреева Т.В., Студитский В.М., Кирпичников М.П.Feofanov A.V., Andreeva T.V., Studitsky V.M., Kirpichnikov M.P.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/630

Методом флуоресцентной микроскопии одиночных частиц с регистрацией фёрстеровского резонансного переноса энергии исследованы структурные перестройки, происходящие под действием высокой ионной силы в нуклеосомах на основе ДНК-матрицы 603. Установлено, что в диапазоне концентраций KCl 0,7–1,3 М в нуклеосомах происходят масштабные изменения структуры, сопровождающиеся образованием по меньшей мере двух состояний, отличающихся степенью отворачивания ДНК от октамера гистонов, и затрагивающие от 13 до 35 и более пар нуклеотидов. Доля нуклеосом с измененной структурой варьирует от 60% при 0,7 М KCl до 100% при 1,3 М KCl. Сохранение ассоциации между коровыми гистонами и ДНК в новых конформационных состояниях обеспечивает обратимость структурных изменений при снижении концентрации KCl до физиологического уровня. Обратимость достигает ~100% при переходе от 0,7 М к 0,15 М KCl и снижается до ~50% при переходе от 1,3 М к 0,15 М KCl.

Using fluorescence microscopy of single particles with Förster resonance energy transfer recording, the structural rearrangements were studied that occurred in nucleosomes formed on the 603 DNA template at a high ionic strength. It is found that within the range of 0.7–1.3 M KCl, large-scale changes occur in the nucleosome structure that are accompanied by the formation of at least two states differing in the degree of DNA unwrapping from the histone octamer and affecting from 13 to 35 and more pairs of nucleotides. A fraction of nucleosomes with modified structure varies from 60% at 0.7 M KCl to 100% at 1.3 M KCl. Preservation of the association between core histones and DNA in the new conformational states ensures reversibility of structural changes when KCl concentration is reduced to a physiological level. Reversibility is ~100% after the transition from 0.7 M to 0.15 KCl and decreases to ~50% after the transition from 1.3 M to 0.15 KCl.

хроматиннуклеосомаионная силафлуоресценциямикроскопияодиночная молекулаchromatinnucleosomeionic strengthfluorescencemicroscopysingle moleculeРНФReferencesThastrom A., Lowary P.T., Widlund H.R., Cao H., Kubista M., Widom J. Sequence motifs and free energies of selected natural and non-natural nucleosome positioning DNA sequences // J. Mol. Biol. 1999. Vol. 288. N 2. P. 213–229.Thastrom A., Lowary P.T., Widlund H.R., Cao H., Kubista M., Widom J. Sequence motifs and free energies of selected natural and non-natural nucleosome positioning DNA sequences // J. Mol. Biol. 1999. Vol. 288. N 2. P. 213–229.Bondarenko V.A., Steele L.M., Ujvari A., Gaykalova D.A., Kulaeva O.I., Polikanov Y.S., Luse D.S., Studitsky V.M. Nucleosomes can form a polar barrier to transcript elongation by RNA polymerase II // Mol. Cell. 2006. Vol. 24. N 3. P. 469–479.Bondarenko V.A., Steele L.M., Ujvari A., Gaykalova D.A., Kulaeva O.I., Polikanov Y.S., Luse D.S., Studitsky V.M. Nucleosomes can form a polar barrier to transcript elongation by RNA polymerase II // Mol. Cell. 2006. Vol. 24. N 3. P. 469–479.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.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.Hazan N.P., Tomov T.E., Tsukanov R., Liber M., Berger Y., Masoud R., Toth K., Langowski J., Nir E. Nucleosome core particle disassembly and assembly kinetics studied using single-molecule fluorescence // Biophys. J. 2015. Vol. 109. N 8. P. 1676–1685.Hazan N.P., Tomov T.E., Tsukanov R., Liber M., Berger Y., Masoud R., Toth K., Langowski J., Nir E. Nucleosome core particle disassembly and assembly kinetics studied using single-molecule fluorescence // Biophys. J. 2015. Vol. 109. N 8. P. 1676–1685.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. Chromatin Protocols / Ed. S.P. Chellappan. 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. Chromatin Protocols / Ed. S.P. Chellappan. Humana Press, 2015. P. 395–412.Gansen A., Hieb A.R., Böhm V., Tóth K., Langowski J. Closing the gap between single molecule and bulk FRET analysis of nucleosomes // PLoS One. 2013. Vol. 8. N 4. e57018.Gansen A., Hieb A.R., Böhm V., Tóth K., Langowski J. Closing the gap between single molecule and bulk FRET analysis of nucleosomes // PLoS One. 2013. Vol. 8. N 4. e57018.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.Kudryashova K.S., Nikitin D.V., Chertkov O.V., Gerasimova N.S., Valieva M.E. Studitsky V.M., Feofanov A.V. Development of fluorescently labeled mononucleosomes for the investigation of transcription mechanisms by single complex microscopy // Moscow Univ. Biol. Sci. Bull. 2015. Vol. 70. N 4. P. 189–193.Kudryashova K.S., Nikitin D.V., Chertkov O.V., Gerasimova N.S., Valieva M.E. Studitsky V.M., Feofanov A.V. Development of fluorescently labeled mononucleosomes for the investigation of transcription mechanisms by single complex microscopy // Moscow Univ. Biol. Sci. Bull. 2015. Vol. 70. N 4. P. 189–193.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.Ngo T.T.M., Ha T. Nucleosomes undergo slow spontaneous gaping // Nucleic Acids Res. 2015. Vol. 43. N 8. P. 3964–3971.Ngo T.T.M., Ha T. Nucleosomes undergo slow spontaneous gaping // Nucleic Acids Res. 2015. Vol. 43. N 8. P. 3964–3971.Chang H.W., Kulaeva O.I., Shaytan A.K., Kibanov M., Kuznedelov K., Severinov K.V., Kirpichnikov M.P., Clark D.J., Studitsky V.M. Analysis of the mechanism of nucleosome survival during transcription // Nucleic Acids Res. 2014. Vol. 42. N 3. P. 1619–1627.Chang H.W., Kulaeva O.I., Shaytan A.K., Kibanov M., Kuznedelov K., Severinov K.V., Kirpichnikov M.P., Clark D.J., Studitsky V.M. Analysis of the mechanism of nucleosome survival during transcription // Nucleic Acids Res. 2014. Vol. 42. N 3. P. 1619–1627.Gaykalova D.A., Kulaeva O.I., Pestov N.A., Hsieh F.K., Studitsky V.M. Experimental analysis of the mechanism of chromatin remodeling by RNA polymerase II // Methods Enzymol. 2012. Vol. 512. P. 293–314.Gaykalova D.A., Kulaeva O.I., Pestov N.A., Hsieh F.K., Studitsky V.M. Experimental analysis of the mechanism of chromatin remodeling by RNA polymerase II // Methods Enzymol. 2012. Vol. 512. P. 293–314.Lyubitelev A.V., Studitsky V.M., Feofanov A.V., Kirpichnikov M.P. Effect of sodium and potassium ions on conformation of linker parts of nucleosomes // Moscow Univ. Biol. Sci. Bull. 2017. Vol. 72. N 3. P. 146–150.Lyubitelev A.V., Studitsky V.M., Feofanov A.V., Kirpichnikov M.P. Effect of sodium and potassium ions on conformation of linker parts of nucleosomes // Moscow Univ. Biol. Sci. Bull. 2017. Vol. 72. N 3. P. 146–150.Chertkov O.V., Valieva M.E., Malyuchenko N.V., Feofanov A.V. Analysis of nucleosome structure in polyacrylamide gel by the Förster resonance energy transfer method // Moscow Univ. Biol. Sci. Bull. 2017. Vol. 72. N 4. P. 196–200.Chertkov O.V., Valieva M.E., Malyuchenko N.V., Feofanov A.V. Analysis of nucleosome structure in polyacrylamide gel by the Förster resonance energy transfer method // Moscow Univ. Biol. Sci. Bull. 2017. Vol. 72. N 4. P. 196–200.

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