Визуализация искусственных полинуклеосомных конструкций методом атомно-силовой микроскопии
https://doi.org/10.55959/MSU0137-0952-16-80-3S-8
Аннотация
Генетический материал клетки в интерфазном ядре представлен в виде плотной ДНК-белковой структуры, называемой хроматином. Строение и динамика отдельных нуклеосом, представляющих собой первый уровень компактизации ДНК, в настоящее время хорошо изучена, тогда как сведения о структурно-функциональной организации более высоких уровней организации хроматина все еще ограничены. В настоящей работе предложен метод визуализации полинуклеосомных конструкций при помощи атомно-силовой микроскопии. Продемонстрирована сборка полинуклеосом на плазмиде с применением октамеров рекомбинантных гистонов. Установлено, что при применении глутарового альдегида для фиксации препарата перед нанесением на подложку, нуклеосомы сохраняются, а их ширина и высота хорошо соответствует литературным данным. При этом сами плазмиды выглядят расправленными, что может помочь в изучении ДНК-белковых взаимодействий.
При поддержке: Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 21-64-00001-П).
Об авторах
А. В. Любителев
Биологический факультет, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
Россия
Россия
Любителев Александр Викторович – вед. инж. кафедры биоинженерии биологического факультета
119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12
Тел. 8-495-939-57-38
Д. В. Багров
Биологический факультет, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
Россия
Россия
Багров Дмитрий Владимирович – канд. физ-мат. наук., вед. науч. сотр. кафедры биоинженерии биологического факультета
119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12
Тел.: 8-495-939-57-38
О. В. Гераськина
Институт биологии гена, Российская академия наук
Россия
Россия
Гераськина Ольга Вячеславовна – мл. науч. сотр.
119334, г. Москва, ул. Вавилова, д. 34/5
Тел.: 8-499-135-60-89
В. М. Студитский
Биологический факультет, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова; Fox Chase Cancer Center
Россия
Россия
Студитский Василий Михайлович – докт. биол. наук, вед. науч. сотр. кафедры биоинженерии биологического факультета
119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12
333 Cottman Ave., Philadelphia, 19111, Pennsylvania
Тел. 8-495-939-57-38
Список литературы
1. Luger K., Mäder A.W., Richmond R.K., Sargent D.F., Richmond T.J. Crystal structure of the nucleosome core particle at 2.8 A resolution. Nature. 1997;389(6648):251–260.
2. Olins D.E., Olins A.L. Chromatin history: our view from the bridge. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2003;4(10):809–814.
3. Finch J.T., Klug A. Solenoidal model for superstructure in chromatin. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1976;73(6):1897–1901.
4. Wu C., Bassett A., Travers A. A variable topology for the 30-nm chromatin fibre. EMBO Rep. 2007;8(12):1129–1134.
5. Robinson P.J.J., Fairall L., Huynh V.A.T., Rhodes D. EM measurements define the dimensions of the “30-nm” chromatin fiber: evidence for a compact, interdigitated structure. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2006;103(17):6506–6511.
6. Grigoryev S.A., Woodcock C.L. Chromatin organization – the 30 nm fiber. Exp. Cell Res. 2012;318(12):1448–1455.
7. Scheffer M.P., Eltsov M., Frangakis A.S. Evidence for short-range helical order in the 30-nm chromatin fibers of erythrocyte nuclei. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2011;108(41):16992–16997.
8. Eltsov M., Maclellan K.M., Maeshima K., Frangakis A.S., Dubochet J. Analysis of cryo-electron microscopy images does not support the existence of 30-nm chromatin fibers in mitotic chromosomes in situ. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2008;105(50):19732–19737.
9. Nishino Y., Eltsov M., Joti Y., Ito K., Takata H., Takahashi Y., Hihara S., Frangakis A.S., Imamoto N., Ishikawa T., Maeshima K. Human mitotic chromosomes consist predominantly of irregularly folded nucleosome fibres without a 30-nm chromatin structure. EMBO J. 2012;31(7):1644–1653.
10. Hsieh T.H.S., Weiner A., Lajoie B., Dekker J., Friedman N., Rando O.J. Mapping nucleosome resolution chromosome folding in yeast by micro-C. Cell. 2015;162(1):108–119.
11. Razin S.V., Gavrilov A.A. Chromatin without the 30-nm fiber: Constrained disorder instead of hierarchical folding. Epigenetics. 2014;9(5):653–657.
12. Maeshima K. The shifting paradigm of chromatin structure: from the 30-nm chromatin fiber to liquid-like organization. Proc. Jpn. Acad. Ser. B Phys. Biol. Sci. 2025;101(6):339–356.
13. Schwarzer W., Abdennur N., Goloborodko A., Pekowska A., Fudenberg G., Loe-Mie Y., Fonseca N.A., Huber W., Haering C.H., Mirny L., Spitz F. Two independent modes of chromatin organization revealed by cohesin removal. Nature. 2017;551(7678):51–56.
14. Bintu B., Mateo L.J., Su J.H., Sinnott-Armstrong N.A., Parker M., Kinrot S., Yamaya K., Boettiger A.N., Zhuang X. Super-resolution chromatin tracing reveals domains and cooperative interactions in single cells. Science. 2018;362(6413):eaau1783.
15. Gibson B.A., Blaukopf C., Lou T., Chen L., Doolittle L.K., Finkelstein I., Narlikar G.J., Gerlich D.W., Rosen M.K. In diverse conditions, intrinsic chromatin condensates have liquid-like material properties. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2023;120(18):e2218085120.
16. Zidovska A. Chromatin: Liquid or solid? Cell. 2020;183(7):1737–1739.
17. Maeshima K., Rogge R., Tamura S., Joti Y., Hikima T., Szerlong H., Krause C., Herman J., Seidel E., DeLuca J., Ishikawa T., Hansen J.C. Nucleosomal arrays self-assemble into supramolecular globular structures lacking 30-nm fibers. EMBO J. 2016;35(10):1115–1132.
18. Farr S.E., Woods E.J., Joseph J.A., Garaizar A., Collepardo-Guevara R. Nucleosome plasticity is a critical element of chromatin liquid-liquid phase separation and multivalent nucleosome interactions. Nat. Commun. 2021;12(1):2883.
19. Miron E., Oldenkamp R., Brown J.M., Pinto D.M.S., Xu C.S., Faria A.R., Shaban H.A., Rhodes J.D.P., Innocent C., de Ornellas S., Hess H.F., Buckle V., Schermelleh L. Chromatin arranges in chains of mesoscale domains with nanoscale functional topography independent of cohesin. Sci. Adv. 2020;6(39):eaba8811.
20. Watson M., Stott K. Disordered domains in chromatin-binding proteins. Essays Biochem. 2019;63(1):147–156.
21. Dias J.K., D’Arcy S. Beyond the mono-nucleosome. Biochem. Soc. Trans. 2025;53(1):BCJ20240452.
22. Li W., Hu J., Song F., et al. Structural basis for linker histone H5-nucleosome binding and chromatin fiber compaction. Cell Res. 2024;34(10):707–724.
23. Thåström 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;288(2):213–229.
24. Polikanov Y.S., Studitsky V.M. Analysis of distant communication on defined chromatin templates in vitro. DNA-Protein Interactions. Methods in Molecular Biology, vol. 543. Eds. B. Leblanc and T. Moss. Humana Press; 2009:563–576.
25. Luger K., Rechsteiner T.J., Richmond T.J. Preparation of nucleosome core particle from recombinant histones. Chromatin. Methods in Enzymology, vol. 304. Academic Press; 1999:3–19.
26. Gaykalova D.A., Kulaeva O.I., Bondarenko V.A., Studitsky V.M. Preparation and analysis of uniquely positioned Mononucleosomes. Chromatin Protocols. Methods in Molecular Biology, vol. 523. Ed. S.P. Chellappan. Totowa: Humana Press; 2009:109–123.
27. Yaminsky I., Akhmetova A., Meshkov G. Femtoscan online software and visualization of nano-objecs in high-resolution microscopy. NanoRus. 2018;(6):414–416.
28. Utley R.T., Owen-Hughes T.A., Juan L.J., Côté J., Adams C.C., Workman J.L. In vitro analysis of transcription factor binding to nucleosomes and nucleosome disruption/ displacement. RNA Polymerase and Associated Factors, Part B. Methods in Enzymology, vol. 274. Ed. S. Adhya. Academic Press: 1996;274:276–291.
29. Moreno-Herrero F., Colchero J., Baró A.M. DNA height in scanning force microscopy. Ultramicroscopy. 2003;96(2):167–174.
30. Krzemien K.M., Beckers M., Quack S., Michaelis J. Atomic force microscopy of chromatin arrays reveal non-monotonic salt dependence of array compaction in solution. PLoS One. 2017;12(3):e0173459.
31. Nazarov I., Chekliarova I., Rychkov G., Ilatovskiy A.V., Crane-Robinson C., Tomilin A. AFM studies in diverse ionic environments of nucleosomes reconstituted on the 601 positioning sequence. Biochimie. 2016;121:5–12.
32. Leuba S.H., Yang G., Robert C., Samori B., Van Holde K., Zlatanova J., Bustamante C. Three-dimensional structure of extended chromatin fibers as revealed by tapping-mode scanning force microscopy. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1994;91(24):11621–11625.
33. Klinov D.V., Neretina T.V., Prokhorov V.V., Dobrynina T.V., Aldarov K.G., Demin V.V. High-resolution atomic force microscopy of DNA. Biochemistry (Mosc). 2009;74(10):1150–1154.
34. Chen X., Roberts C.J., Zhang J., Davies M.C., Tendler S.J.B. Phase contrast and attraction–repulsion transition in tapping mode atomic force microscopy. Surface Science. 2002;519(1–2):L593–L598.
35. Dubrovin E.V., Schächtele M., Schäffer T.E. Nanotemplate-directed DNA segmental thermal motion. RSC Adv. 2016;6(83):79584–79592.
36. Hizume K., Yoshimura S.H., Takeyasu K. Atomic force microscopy demonstrates a critical role of DNA superhelicity in nucleosome dynamics. Cell Biochem. Biophys. 2004;40(3):249–262.
Рецензия
Для цитирования:
Любителев А.В., Багров Д.В., Гераськина О.В., Студитский В.М. Визуализация искусственных полинуклеосомных конструкций методом атомно-силовой микроскопии. Вестник Московского университета. Серия 16. Биология. 2025;80(3):52-58. https://doi.org/10.55959/MSU0137-0952-16-80-3S-8
For citation:
Lyubitelev A.V., Bagrov D.V., Geraskina O.V., Studitsky V.M. Visualization of artificial polynucleosomal constructs with atomic force microscopy. Vestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 16. Biologiya. 2025;80(3):52-58. (In Russ.) https://doi.org/10.55959/MSU0137-0952-16-80-3S-8
Просмотров:
7
Послать статью по эл. почте 