Coesina e CTCF controlam a dinâmica do dobramento dos cromossomos

Jun 12, 2023

Nature Genetics volume 54, páginas 1907–1918 (2022)Cite este artigo

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Em mamíferos, as interações entre sequências dentro de domínios de associação topológica permitem o controle da expressão gênica através de grandes distâncias genômicas. No entanto, não se sabe com que frequência tais contatos ocorrem, quanto tempo duram e como dependem da dinâmica do dobramento cromossômico e da atividade de extrusão de alça da coesina. Ao visualizar localizações cromossômicas em alta resolução espacial e temporal em células vivas, mostramos que as interações dentro de domínios de associação topológica são transitórias e ocorrem frequentemente durante o curso de um ciclo celular. As interações tornam-se mais frequentes e mais longas na presença de locais convergentes de CTCF, resultando na supressão da variabilidade no dobramento cromossômico ao longo do tempo. Apoiados por modelos físicos de dinâmica cromossômica, nossos dados sugerem que as alças ancoradas no CTCF duram cerca de 10 min. Nossos resultados mostram que a regulação transcricional de longo alcance pode depender da proximidade física transitória, e que a coesina e o CTCF estabilizam estruturas cromossômicas altamente dinâmicas, facilitando subconjuntos selecionados de interações cromossômicas.

Nas células de mamíferos, as interações entre sequências cromossômicas desempenham papéis importantes em processos fundamentais, como replicação do DNA1, reparo2 e regulação transcricional por intensificadores distais3. Os métodos de captura de conformação cromossômica (3C), que medem a proximidade física entre sequências genômicas em células fixas, revelaram que os contatos cromossômicos são organizados em domínios submegabase de interações preferenciais conhecidos como domínios de associação topológica (TADs) cujos limites podem isolar funcionalmente sequências reguladoras . Os TADs surgem principalmente de interações aninhadas entre locais de ligação convergentemente orientados da proteína CTCF de ligação ao DNA, que são estabelecidos como CTCF ligado à cromatina que interrompe a atividade de extrusão da alça do complexo de coesina .

Determinar o tempo e a duração das interações cromossômicas dentro dos TADs e sua relação com CTCF e coesina é fundamental para entender como os intensificadores se comunicam com os promotores . Análises unicelulares da estrutura cromossômica em células fixas 4,13,14,15, experimentos de rastreamento cromossômico 16,17,18,19, medições in vitro 9,10,20 e de células vivas 21 da dinâmica de CTCF e coesina e simulações de polímeros 6,15, 22, bem como imagens de células vivas de localizações cromossômicas e RNA nascente 23,24, sugeriram que TADs e alças de CTCF são estruturas dinâmicas cuja evolução temporal pode ser governada pela cinética de extrusão de alça . Medições recentes de células vivas de uma alça CTCF conectando dois limites opostos de TAD em células-tronco embrionárias de camundongo (mESCs) forneceram evidência direta de que este é o caso e revelaram que alças mediadas por coesina entre locais CTCF localizados a 500 quilobases (kb) de distância nos últimos 10 –30 min (ref. 26). No entanto, ainda não está claro se os contactos entre sequências separadas por distâncias genómicas onde potenciadores e promotores interagem dentro do mesmo TAD ocorrem na escala de tempo de segundos, minutos ou horas. Também temos pouco conhecimento sobre se e como as taxas e durações de tais contatos são moduladas pela extrusão de loop. Finalmente, não sabemos se a coesina aumenta a mobilidade cromossómica e, portanto, favorece os encontros entre sequências genómicas, enrolando-as em laços, ou se, em vez disso, fornece restrições que diminuem a mobilidade e prolongam a duração de tais encontros. Ambos os cenários foram sugeridos como possíveis teoricamente27,28, mas não está claro qual efeito domina nas células vivas.

Aqui usamos microscopia de fluorescência de células vivas para medir a dinâmica cromossômica e sua dependência de coesina e CTCF em mESCs. Ao combinar duas estratégias de imagem de células vivas com simulações de polímeros, revelamos que os loops extrudados pela coesina restringem o movimento global dos cromossomos, ao mesmo tempo que aumentam as frequências temporais e as durações dos encontros físicos entre sequências dentro do mesmo TAD. Os locais convergentes de CTCF estabilizam substancialmente os contatos através de alças ancoradas por CTCF mediadas por coesina que duram em média 5 a 15 minutos. Nossos resultados apoiam a noção de que a estrutura cromossômica dentro de TADs únicos é altamente dinâmica durante o período de um ciclo celular e, portanto, que a regulação transcricional de longo alcance pode depender da proximidade física transitória entre seqüências genômicas. Eles também revelam como a dinâmica de contato e a variabilidade temporal no dobramento cromossômico são moduladas pela coesina e CTCF em células vivas únicas e fornecem uma estrutura quantitativa para a compreensão do papel da dinâmica de dobramento em processos biológicos fundamentais.