Nucleosome Positioning and Organization 02-715 Advanced Topics - - PowerPoint PPT Presentation

Nucleosome Positioning and Organization

02-­‑715 ¡Advanced ¡Topics ¡in ¡Computa8onal ¡ Genomics ¡

Nucleosome Core

Nucleosome Core and Linker

• 147 ¡bp ¡DNA ¡wrapping ¡

around ¡nucleosome ¡core ¡

• Varying ¡lengths ¡of ¡linkers ¡

between ¡adjacent ¡cores ¡

Linker ¡

Nucleosome Positions

• Nucleosome ¡posi8ons ¡are ¡non-­‑random ¡and ¡conserved ¡across ¡the ¡

similar ¡cell ¡types ¡

• Nucleosome ¡posi8oning ¡affects ¡gene ¡regula8on ¡
• The ¡binding ¡of ¡other ¡proteins ¡affect ¡the ¡posi8ons ¡of ¡nucleosomes ¡
• Dynamic ¡nature ¡of ¡nucleosome ¡posi8oning ¡influenced ¡by ¡the ¡

dynamic ¡gene ¡regula8on ¡

• Sta8c ¡nature ¡of ¡nucleosome ¡posi8oning ¡influenced ¡by ¡DNA ¡

sequence ¡

Dynamic Nucleosomes

• Kine8c ¡measurements ¡

show ¡the ¡DNA ¡in ¡an ¡ isolated ¡nucleosome ¡is ¡ surprisingly ¡dynamic, ¡ rapidly ¡uncoiling ¡and ¡ then ¡rewrapping ¡around ¡ its ¡nucleosome ¡core. ¡

• This ¡way, ¡most ¡of ¡

nucleosome-­‑bound ¡DNA ¡ sequence ¡is ¡accessible ¡to ¡

• ther ¡DNA-­‑binding ¡

proteins ¡

Dynamic Nucleosomes

• DNA ¡in ¡an ¡isolated ¡nucleosome ¡unwraps ¡around ¡four ¡8mes ¡

per ¡second, ¡remaining ¡exposed ¡for ¡10-­‑50 ¡milliseconds ¡before ¡ the ¡DNA ¡re-­‑wraps ¡around ¡the ¡nucleosome ¡

– Allows ¡for ¡other ¡DNA-­‑binding ¡proteins ¡to ¡access ¡the ¡DNA ¡for ¡ transcrip8on, ¡DNA ¡replica8on, ¡etc. ¡ ¡

Dynamic Nucleosomes: Chromatin Remodeling Complex

• Nucleosome ¡sliding ¡

– ATP-­‑dependent ¡chroma8n ¡remodeling ¡complexes ¡ bind ¡to ¡nucleosome ¡ core ¡proteins ¡and ¡DNA ¡that ¡wraps ¡around ¡it, ¡and ¡use ¡the ¡energy ¡of ¡ATP ¡ hydrolysis ¡to ¡move ¡DNA ¡rela8ve ¡to ¡the ¡core. ¡

Dynamic Nucleosomes: Chromatin Remodeling Complex

• Chroma8n ¡remodeling ¡complex ¡replacing ¡histone ¡proteins ¡

with ¡other ¡variants ¡

Dynamic Nucleosomes: Chromatin Remodeling Complex

• Chroma8n ¡remodeling ¡complex ¡(with ¡histone ¡chaperones) ¡

replacing/removing ¡histone ¡proteins ¡with ¡other ¡variants ¡

Dynamic Nucleosomes: Chromatin Remodeling Complex

• As ¡genes ¡are ¡turned ¡on ¡and ¡off, ¡chroma8n ¡remodeling ¡

complex ¡are ¡brought ¡to ¡specific ¡regions ¡of ¡DNA ¡to ¡locally ¡ influence ¡chroma8n ¡structure ¡

• Certain ¡chroma8n ¡structure ¡can ¡be ¡inherited ¡during ¡cell ¡

division ¡

Dynamic Nucleosomes: Chromatin Remodeling with Code Reader-Writer Complex

• Spreading ¡chroma8n ¡

changes ¡

– Gene ¡regulatory ¡protein ¡ recruits ¡a ¡code-­‑writer ¡ enzyme, ¡which ¡modifies ¡ the ¡histone ¡code ¡ – The ¡code-­‑writer ¡recruits ¡ code-­‑reader, ¡which ¡then ¡ again ¡recruits ¡code-­‑writer. ¡ – Reader ¡and ¡writer ¡should ¡ recognize ¡the ¡same ¡code ¡

• Barrier ¡DNA ¡sequence ¡for ¡

blocking ¡the ¡long-­‑range ¡ spreading ¡ ¡

Dynamic Nucleosomes: Chromatin Remodeling Complex

• Spreading ¡wave ¡of ¡chroma8n ¡condensa8on ¡to ¡form ¡a ¡long ¡

range ¡heterochroma8n ¡

Nucleosomes and Chromatin Structure

• H3 ¡variant ¡histone, ¡called ¡CENP-­‑A ¡replaces ¡H3 ¡in ¡centromeric ¡

DNA ¡sequences ¡

Definitions of Terminology

• Nucleosome ¡posi8ons: ¡the ¡nucleosome ¡start/center/end ¡

posi8ons ¡of ¡the ¡147bp ¡sequence ¡wrapped ¡around ¡a ¡ nucleosome ¡

• Nucleosome ¡configura8on ¡

– a ¡set ¡of ¡non-­‑overlapping ¡nucleosome ¡posi8ons ¡on ¡a ¡single ¡DNA ¡ molecule ¡of ¡defined ¡length. ¡ – if ¡a ¡base ¡pair ¡is ¡in ¡state ¡1, ¡then ¡both ¡the ¡preceding ¡and ¡following ¡146 ¡ base ¡pairs ¡(bp) ¡must ¡be ¡‘0’ ¡

Definitions of Terminology

• Nucleosome ¡organiza8on: ¡a ¡probability ¡distribu8on ¡over ¡

nucleosome ¡configura8ons ¡

– P: ¡nucleosome ¡organiza8on ¡ – C: ¡a ¡set ¡of ¡nucleosome ¡configura8ons ¡ – P(c): ¡the ¡probability ¡of ¡a ¡nucleosome ¡configura8on ¡c ¡

Definitions of Terminology

• Nucleosome ¡occupancy: ¡the ¡sum ¡of ¡the ¡probabili8es ¡of ¡the ¡

configura8ons ¡in ¡which ¡the ¡base ¡pair ¡is ¡covered ¡by ¡a ¡ nucleosome ¡

– Occ(x): ¡the ¡occupancy ¡at ¡basepair ¡x ¡ – C: ¡nucleosome ¡configura8on ¡ – P(c): ¡nucleosome ¡organiza8on ¡

Illustration of Different Terminology

Definitions of Terminology

• Nucleosome ¡posi8oning: ¡the ¡degree ¡to ¡which ¡the ¡posi8ons ¡of ¡

individual ¡nucleosomes ¡vary ¡across ¡the ¡different ¡ configura8ons ¡of ¡a ¡nucleosome ¡organiza8on. ¡ ¡

– a ¡perfectly ¡posi8oned ¡nucleosome ¡is ¡one ¡that ¡adopts ¡the ¡same ¡ posi8on ¡across ¡all ¡measured ¡configura8ons ¡ – 30% ¡posi8oning? ¡ – Absolute ¡vs. ¡condi8onal ¡posi8oning ¡ ¡

Definitions of Terminology

• Absolute ¡nucleosome ¡posi8oning ¡at ¡basepair ¡x: ¡the ¡

probability ¡of ¡a ¡nucleosome ¡star8ng ¡at ¡basepair ¡x ¡

– Absolute ¡nucleosome ¡posi8oning ¡does ¡not ¡uniquely ¡determine ¡ nucleosome ¡organiza8on ¡ ¡

• Condi8onal ¡nucleosome ¡posi8oning ¡at ¡basepair ¡x: ¡the ¡

absolute ¡posi8oning ¡at ¡basepair ¡x ¡divided ¡by ¡the ¡probability ¡ that ¡a ¡nucleosome ¡starts ¡anywhere ¡within ¡a ¡larger ¡region ¡ centered ¡on ¡x ¡

– the ¡probability ¡that ¡a ¡nucleosome ¡starts ¡at ¡ ¡x ¡given ¡that ¡a ¡nucleosome ¡ starts ¡somewhere ¡between ¡ ¡x ¡-­‑ ¡73 ¡and ¡ ¡x ¡ ¡+ ¡73 ¡

Illustration of Different Terminology

Experimental Technology for Measuring Nucleosome Organization

• Diges8on ¡of ¡chroma8n ¡by ¡micrococcal ¡nuclease ¡(MNase), ¡an ¡

endonuclease ¡that ¡preferen8ally ¡cuts ¡linker ¡DNA ¡rather ¡than ¡ DNA ¡wrapped ¡around ¡a ¡nucleosome ¡

– highly ¡digested ¡DNA: ¡depleted ¡of ¡nucleosomes ¡ – under-­‑digested ¡DNA: ¡rela8vely ¡protected ¡by ¡nucleosomes ¡

• Measure ¡the ¡diges8ng ¡paeern ¡with ¡microarray ¡or ¡sequencing ¡
• f ¡the ¡nucleosome-­‑protected ¡DNA ¡segments ¡

– Occ(x): ¡occupancy ¡at ¡base ¡pair ¡x ¡ – ri: ¡read ¡counts ¡at ¡basepair ¡i ¡

Experimental Technology for Measuring Nucleosome Organization

• Challenges ¡

– Bias ¡introduced ¡by ¡MNase’s ¡preference ¡of ¡TA/AT ¡dinucleo8de ¡as ¡its ¡ cleavage ¡site ¡

• Cannot ¡obtain ¡the ¡nucleosome ¡posi8on ¡at ¡a ¡single ¡nucleo8de ¡

resolu8on ¡

• Naked ¡DNA ¡as ¡a ¡control, ¡but ¡linker ¡DNA ¡is ¡TA/AT ¡rich, ¡reducing ¡the ¡

u8lity ¡of ¡naked ¡DNA ¡as ¡a ¡control ¡ – Experiment ¡is ¡performed ¡not ¡on ¡a ¡single ¡cell, ¡but ¡on ¡a ¡popula8on ¡of ¡ cells ¡

• We ¡get ¡to ¡measure ¡only ¡the ¡average ¡of ¡the ¡dynamically ¡changing ¡

nucleosome ¡posi8ons ¡

Experimental Technology for Measuring Nucleosome Organization

• Challenges ¡

– In ¡vitro ¡and ¡in ¡vivo ¡nucleosome ¡posi8ons ¡are ¡different ¡ – With ¡low ¡coverage ¡in ¡sequencing, ¡it ¡is ¡difficult ¡to ¡obtain ¡a ¡reliable ¡map ¡

• f ¡nucleosome ¡posi8ons. ¡Currently, ¡ ¡
• 2 ¡nucleosome ¡read ¡starts ¡per ¡base ¡pair ¡in ¡a ¡yeast ¡in ¡vivo ¡map ¡
• 0.1-­‑2 ¡nucleosome ¡read ¡starts ¡in ¡yeast ¡in ¡vitro ¡map ¡
• 0.07 ¡nucleosome ¡read ¡starts ¡in ¡human ¡in ¡vivo ¡map ¡

Experimental Technology for Measuring Nucleosome Organization

• Robustness ¡of ¡nucleosome ¡map: ¡Are ¡the ¡two ¡independently ¡

generated ¡nucleosome ¡maps ¡highly ¡correlated? ¡

Yeast Genome-Scale Nucleosome Map

• Map ¡of ¡posi8ons ¡of ¡2278 ¡nucleosomes ¡over ¡482 ¡kilobases ¡of ¡

Saccharomyces ¡cerevisiae ¡DNA, ¡including ¡almost ¡all ¡of ¡ chromosome ¡III ¡and ¡223 ¡addi8onal ¡regulatory ¡regions ¡

– Most ¡of ¡the ¡nucleosome ¡were ¡well ¡posi8oned ¡ – A ¡nucleosome ¡free ¡region ¡of ¡~200bp ¡in ¡the ¡Pol ¡II ¡promoters ¡ – Nucleosome ¡free ¡regions ¡had ¡evolu8onarily ¡conserved ¡sequences ¡ – Most ¡TF ¡binding ¡mo8fs ¡were ¡nucleosome ¡free ¡regions ¡

Yeast Genome-Scale Nucleosome Map

• Nucleosome-­‑free ¡regions ¡common ¡in ¡TF ¡binding ¡sites. ¡

Microarray ¡ ¡ data ¡for ¡ nucleosome ¡ posi8ons ¡ DNA ¡Sequence ¡ conserva8on ¡ score ¡ Inferred ¡ nucleosome ¡ posi8ons ¡with ¡ boxes ¡for ¡a ¡TF ¡ binding ¡mo8f ¡

Yeast Genome-Scale Nucleosome Map

• Nucleosome-­‑free ¡regions ¡common ¡in ¡TF ¡binding ¡sites. ¡

Microarray ¡ ¡ data ¡for ¡ nucleosome ¡ posi8ons ¡ DNA ¡Sequence ¡ conserva8on ¡ score ¡ Inferred ¡ nucleosome ¡ posi8ons ¡with ¡ boxes ¡for ¡a ¡TF ¡ binding ¡mo8f ¡

Yeast Genome-Scale Nucleosome Map

• Func8onal ¡transcrip8on ¡factor ¡binding ¡mo8fs ¡are ¡more ¡

accessible ¡than ¡unbound ¡mo8fs ¡

Nucleosome Maps

• DNA ¡sequence ¡is ¡significantly ¡predic8ve ¡of ¡nucleosome ¡
• rganiza8on ¡in ¡vitro ¡and ¡in ¡vivo ¡– ¡discussion ¡on ¡Wednesday! ¡

Summary

• Dynamic ¡nature ¡of ¡nucleosome ¡posi8oning ¡
• Sta8c ¡nature ¡of ¡nucleosome ¡posi8oning ¡
• Challenges ¡in ¡measuring ¡nucleosome ¡occupancy ¡

Reference

• Genome-­‑Scale ¡Iden8fica8on ¡of ¡Nucleosome ¡Posi8ons ¡in ¡S. ¡
• cerevisiae. ¡Science ¡2005, ¡309:30. ¡
• Contribu8on ¡of ¡histone ¡sequence ¡preferences ¡to ¡nucleosome ¡
• rganiza8on: ¡proposed ¡defini8ons ¡and ¡methology. ¡Genome ¡

Biology ¡2010. ¡