La coesione e il CTCF controllano la dinamica del ripiegamento dei cromosomi

Jun 12, 2023

Nature Genetics volume 54, pagine 1907–1918 (2022)Citare questo articolo

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Nei mammiferi, le interazioni tra sequenze all'interno di domini topologicamente associati consentono il controllo dell'espressione genica su grandi distanze genomiche. Tuttavia non è noto con quale frequenza avvengano tali contatti, quanto tempo durino e come dipendano dalla dinamica del ripiegamento cromosomico e dall'attività di estrusione dell'anello della coesione. Imaging di posizioni cromosomiche ad alta risoluzione spaziale e temporale nelle cellule viventi, mostriamo che le interazioni all'interno dei domini topologicamente associati sono transitorie e si verificano frequentemente durante il corso di un ciclo cellulare. Le interazioni diventano più frequenti e più lunghe in presenza di siti CTCF convergenti, con conseguente soppressione della variabilità nel ripiegamento cromosomico nel tempo. Supportati da modelli fisici della dinamica cromosomica, i nostri dati suggeriscono che i cicli ancorati al CTCF durano circa 10 minuti. I nostri risultati mostrano che la regolazione trascrizionale a lungo raggio potrebbe basarsi sulla vicinanza fisica transitoria e che la coesione e il CTCF stabilizzano strutture cromosomiche altamente dinamiche, facilitando sottoinsiemi selezionati di interazioni cromosomiche.

Nelle cellule dei mammiferi, le interazioni tra le sequenze cromosomiche svolgono un ruolo importante in processi fondamentali come la replicazione del DNA1, la riparazione2 e la regolazione trascrizionale da parte di potenziatori distali3. I metodi di cattura della conformazione cromosomica (3C), che misurano la vicinanza fisica tra sequenze genomiche in cellule fisse, hanno rivelato che i contatti cromosomici sono organizzati in domini submegabase di interazioni preferenziali noti come domini di associazione topologica (TAD)4,5 i cui confini possono isolare funzionalmente le sequenze regolatrici3. I TAD derivano principalmente da interazioni nidificate tra siti di legame orientati in modo convergente della proteina CTCF che lega il DNA, che si stabiliscono quando il CTCF legato alla cromatina arresta l'attività di estrusione dell'anello del complesso di coesione6,7,8,9,10.

Determinare i tempi e la durata delle interazioni cromosomiche all'interno dei TAD e la loro relazione con CTCF e coesione è fondamentale per comprendere come gli stimolatori comunicano con i promotori11,12. Analisi di cellule singole della struttura cromosomica in cellule fisse4,13,14,15, esperimenti di tracciamento cromosomico16,17,18,19, misurazioni in vitro9,10,20 e su cellule vive21 della dinamica di CTCF e della coesione e simulazioni di polimeri6,15, 22, così come l'imaging di cellule vive delle posizioni cromosomiche e dell'RNA nascente23,24, suggeriscono tutti che i TAD e i loop CTCF sono strutture dinamiche la cui evoluzione temporale potrebbe essere governata dalla cinetica dell'estrusione del loop25. Recenti misurazioni su cellule vive di un anello CTCF che collega due confini TAD opposti nelle cellule staminali embrionali di topo (mESC) hanno fornito la prova diretta che questo è il caso e hanno rivelato che gli anelli mediati dalla coesione tra i siti CTCF situati a 500 kilobasi (kb) di distanza negli ultimi 10 –30 minuti (rif. 26). Tuttavia, non è ancora chiaro se i contatti tra sequenze separate da distanze genomiche in cui potenziatori e promotori interagiscono all'interno dello stesso TAD avvengano nella scala temporale di secondi, minuti o ore. Abbiamo anche poca conoscenza su se e come la velocità e la durata di tali contatti siano modulate dall'estrusione del loop. Infine non sappiamo se la coesione aumenta la mobilità dei cromosomi e quindi favorisce gli incontri tra sequenze genomiche avvolgendole in anelli, o se invece fornisce vincoli che diminuiscono la mobilità e prolungano la durata di tali incontri. È stato suggerito che entrambi gli scenari siano teoricamente possibili27,28, ma non è chiaro quale effetto prevalga nelle cellule viventi.

Qui utilizziamo la microscopia a fluorescenza a cellule vive per misurare la dinamica cromosomica e la sua dipendenza dalla coesione e dal CTCF nei mESC. Combinando due strategie di imaging di cellule vive con simulazioni di polimeri, riveliamo che i loop estrusi dalla coesione limitano il movimento globale dei cromosomi, aumentando allo stesso tempo le frequenze temporali e la durata degli incontri fisici tra sequenze all'interno dello stesso TAD. I siti CTCF convergenti stabilizzano sostanzialmente i contatti attraverso anelli ancorati CTCF mediati dalla coesione che durano in media circa 5-15 minuti. I nostri risultati supportano l’idea che la struttura cromosomica all’interno dei singoli TAD è altamente dinamica durante l’arco di un ciclo cellulare e quindi che la regolazione trascrizionale a lungo raggio potrebbe basarsi sulla vicinanza fisica transitoria tra sequenze genomiche. Rivelano inoltre come le dinamiche di contatto e la variabilità temporale nel ripiegamento dei cromosomi siano modulate dalla coesione e dal CTCF nelle singole cellule viventi e forniscono un quadro quantitativo per comprendere il ruolo delle dinamiche di ripiegamento nei processi biologici fondamentali.