Kompleksy SWI/SNF
W komórkach eukariotycznych ekspresja informacji genetycznej podlega złożonej regulacji na wielu poziomach, m.in. poprzez zmiany struktury chromatyny. Podstawową, powtarzalną jednostką strukturalną chromatyny i zarazem substratem dla licznych białek enzymatycznych jest nukleosom, kompleks DNA oraz białek histonowych. Zmiany struktury chromatyny (w uproszczeniu kondensacja lub dekondensacja chromatyny) osiągane są głównie poprzez modyfikacje potranslacyjne histonów oraz ATP-zależną przebudowę (remodeling). Remodeling chromatyny opiera się na aktywności wielobiałkowych, konserwowanych ewolucyjnie kompleksów, z których najlepiej poznane są kompleksy typu SWI/SNF. W testach in vitro wprowadzają one modyfikacje strukturalne, które polegają głównie na przesuwaniu nukleosomów wzdłuż nici DNA, wymianie, lub usuwaniu nukleosomów. W skład kompleksów SWI/SNF u różnych organizmów wchodzi od ośmiu do kilkunastu białek: centralna podjednostka katalityczna SNF2 o aktywności ATP-azy, białka rdzeniowe (potrzebne do efektywnego procesu remodelingu in vitro) – homologi drożdżowych białek SWI3, SWP73 i SNF5 oraz dodatkowe białka pełniące różne funkcje. Efektem aktywności kompleksów SWI/SNF jest zmiana dostępności sekwencji regulatorowych dla czynników transkrypcyjnych, prowadząca do aktywacji lub represji regulowanego genu. Badania drożdżowych i zwierzęcych kompleksów SWI/SNF dostarczyły wielu cennych informacji na temat ich funkcji biologicznej. Wiadomo, że uczestniczą one w regulacji transkrypcyjnej tak kluczowych procesów jak cykl komórkowy i różnicowanie, odpowiedź komórek na stres, a także ustalanie wzoru ekspresji genów sterujących rozwojem. Kompleksy SWI/SNF okazały się też ważnym elementem wielu ścieżek sygnałowych, a zaburzenia funkcji ludzkiego kompleksu SWI/SNF mają znaczącą rolę w powstawaniu wielu typów nowotworów. Warto podkreślić, że liczne funkcje kompleksów SWI/SNF są jednocześnie bardzo specyficzne – kompleksy są kierowane w danych warunkach fizjologicznych do ściśle określonych miejsc w genomie. Z tego powodu bezpośredniej regulacji podlegają tylko wybrane geny uczestniczące w danym procesie biologicznym. Mechanizm rekrutacji kompleksów SWI/SNF do docelowych miejsc w genomie nie jest dokładnie poznany. Ważną rolę w tym procesie przypisuje się interakcjom kompleksu z regulatorami transkrypcji oraz interakcjom ze zmodyfikowanymi nukleosomami dzięki obecności odpowiednich domen w podjednostkach kompleksu (takich jak bromodomena mająca zdolność do wiązania acetylowanych histonów).
Rekrutacja kompleksów SWI/SNF do docelowych miejsc w chromatynie (a) kompleksy SWI/SNF mogą wiązać się do sekwencji regulatorowych (m.in. promotorów i terminatorów) i aktywować bądź hamować transkrypcję. Ich rekrutacja jest wspomagana przez interakcje białko-białko z czynnikami transkrypcyjnymi (TF) oraz innymi regulatorami chromatynowymi (REG), a także dzięki obecności domen rozpoznających struktury DNA lub modyfikacje histonów (np. bromodomeny rozpoznające acetylowane histony). Z naszych danych wynika, że lokalizacja SWI/SNF jest negatywnie skorelowana z obecnością metylacji DNA (żółty), niektórymi modyfikacjami histonów takimi jak H3K27me3 (brązowy) oraz obecnością histonów łącznikowych H1 (zielony). Za: Jerzmanowski i Archacki (2017): Universal and Lineage-Specific Properties of Linker Histones and SWI/SNF-Chromatin Remodeling Complexes in Plants. Plant Epigenetics, RNA Technologies (Springer). 463-492.
Skład kompleksów SWI/SNF występujących w komórkach roślinnych został wstępnie scharakteryzowany dopiero niedawno. Kompleks SWI/SNF zbudowany wokół ATPazy BRAHMA (BRM), najbliższego homologa drożdżowych i zwierzęcych ATPaz typu SNF2, zawiera także podjednostkę SWI3C, SWP73A lub SWP73B, ARP4, ARP7. Dzięki analizom genetycznym mutantów Arabidopsis pozbawionych poszczególnych podjednostek wiadomo, że kompleksy SWI/SNF pełnią liczne funkcje w trakcie rozwoju roślin, biorąc udział m.in. w regulacji embriogenezy, rozwoju liści i kwiatów, inicjacji kwitnienia, a także w ścieżkach sygnalizacji hormonów roślinnych: kwasu abscysynowego, cytokinin i giberelin. Kompleks SWI/SNF m.in. kontroluje ekspresję kluczowych genów odpowiedzialnych za biosyntezę giberelin, a także uczestniczących w ścieżce sygnalizacji giberelinowej. Ma również udział w kontroli odpowiedzi roślin na stres suszy oraz wysokiej temperatury. Ostatnie całogenomowe badania z użyciem techniki ChIP (immunoprecypitacja chromatyny) pozwoliły na ustalenie profilu wiązania podjednostki katalitycznej BRM, która do ok. 5000 genów, z preferencją do genów aktywnych transkrypcyjnie. Wiązanie BRM w genomie Arabidopsis zachodzi w promotorach genów, podobnie jak w przypadku drożdżowej ATPazy SNF2, ale także w pobliżu terminatorów transkrypcji, gdzie pełni rolę w regulacji powstawania antysensownych transkryptów.
Pomimo dobrze poznanych funkcji biologicznych kompleksów SWI/SNF, sposób ich działania jest wciąż niejasny. Model uzyskany dzięki badaniom in vitro zakładający, że SWI/SNF przesuwa nukleosomy w obrębie promotorów genów nie wyjaśnia wielu zjawisk obserwowanych in vivo i z tego względu został ostatnio zakwestionowany przez część badaczy. Nasze badania mają na celu poznanie mechanizmów działania oraz sposobów regulacji aktywności kompleksów SWI/SNF in vivo, przy użyciu Arabidopsis jako organizmu modelowego.
Literatura:
Andrzej Jerzmanowski , Rafał Archacki (2017): Universal and Lineage-Specific Properties of Linker Histones and SWI/SNF-Chromatin Remodeling Complexes in Plants. Plant Epigenetics, RNA Technologies (Springer). 463-492
Archacki, R., Yatusevich, R., Buszewicz, D., Krzyczmonik, K., Patryn, J., Iwanicka-Nowicka, R., Biecek, P., Wilczynski, B., Koblowska, M., Jerzmanowski, A., et al. (2017). Arabidopsis SWI/SNF chromatin remodeling complex binds both promoters and terminators to regulate gene expression. Nucleic Acids Res. 45, 3116–3129
Clapier, C.R., and Cairns, B.R. (2009). The biology of chromatin remodeling complexes. Annu. Rev. Biochem. 78, 273–304.
Archacki R, Buszewicz D, Sarnowski TJ, Sarnowska E, Rolicka AT, Tohge T, Fernie AR, Jikumaru Y, Kotlinski M, Iwanicka-Nowicka R, Kalisiak K, Patryn J, Halibart-Puzio J, Kamiya Y, Davis SJ, Koblowska MK, Jerzmanowski A. (2013). BRAHMA ATPase of the SWI/SNF chromatin remodeling complex acts as positive regulator of gibberellin-mediated responses in Arabidopsis. PLoS One. 8(3):e58588
Vercruyssen, A. Verkest, N. Gonzalez, K.S. Heyndrickx, D. Eeckhout, S-K Han, T. Jégu, R. Archacki, J. Van Leene, M. Andriankaja, S. De Bodt, T. Abeel, F. Coppens, L. De Milde, M. Vermeersch, K. Maleux, K. Gevaert, A. Jerzmanowski, M. Benhamed, D. Wagner, K. Vandepoele, G. De Jaeger and Dirk Inzé. (2014). ANGUSTIFOLIA 3 binds SWI/SNF chromatin remodeling complexes to regulate transcription during Arabidopsis leaf development. Plant Cell. 26:210-29
Han SK, Sang Y, Rodrigues A, Wu MF, Rodriguez PL, Wagner D. (2012) The SWI2/SNF2 Chromatin Remodeling ATPase BRAHMA Represses Abscisic Acid Responses in the Absence of the Stress stimulus in Arabidopsis. Plant Cell 24, 4892–4906
Han, S.-K., Wu, M.-F., Cui, S., and Wagner, D. (2015). Roles and activities of chromatin remodelling ATPases in plants. Plant J. Cell Mol. Biol. 83, 62–77.
Kadoch, C., and Crabtree, G.R. (2015). Mammalian SWI/SNF chromatin remodeling complexes and cancer: Mechanistic insights gained from human genomics. Sci. Adv. 1, e1500447.