Tail bridging vs. patchiness [Elektronische Ressource] : models for the interaction of nucleosomes / Frank Mühlbacher

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• Publié par: johannes_gutenberg-universitat_mainz
• Publié le: 01 janvier 2004
• Nombre de lectures: 16
• Langue: Deutsch
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Extrait

Tail Bridging vs. Patchiness:
Models for the Interaction of
Nucleosomes
Dissertation
zur Erlangung des Grades
\Doktor der Naturwissenschaften"
am Fachbereich Physik
der Johannes Gutenberg-Universit at
in Mainz
Frank Muhlbac her
geb. in Wurzburg
Mainz, den 12. Juli 2004
D77Datum der mundlic hen Prufung: 30. Juli 2004Zusammenfassung
Diese Arbeit besch aftigt sich mit der Wechselwirkung von Nukleosomkernen (NCPs). NCPs
repr asentieren die erste Hierarchiestufe in der r aumlichen Organisation der Erbinformation
in eukaryotischen Zellen. Ein NCP besteht aus einem Kern aus acht Histonproteinen und
einem Abschnitt von DNA, der ca. zwei mal um den Kern gewickelt ist. Jedes Histon hat
ein Endstuc k, das zwischen die Windungen der DNA hindurchreicht.
In der vorliegenden Studie wurde diesen Proteinschw anze besondere Aufmerksamkeit zuteil,
da experimentelle Studien einen starken Ein u dieser Schw anze auf die NCP Wechsel-
wirkung vermuten lassen [1, 2]. In diesen Experimenten kann eine Anderung der Kon gura-
tionen der Schw anze bei einer Anderung der Salzkonzentration beobachtet werden [1]. Fur
vergleichbare Werte der Salzkonzentration kann eine Anziehung zwischen den NCPs belegt
werden [2]. Dieser Beobachtung k onnten zwei verschiedene Mechanismen zugrunde liegen:
Wechselwirkung von Multipolen oder Anziehung durch Bruc kenbildung zwischen den NCPs
durch die Schw anze. Fruhere Studien belegen, da beide E ekte zu Anziehung fuhren k onnen.
Die Modelle, die gegenw artig zur theoretischen Beschreibung und fur Computersimula-
tionen von einzelnen NCPs benutzt werden, stellen wir kurz vor. Da diese Modelle sich auf
die Beschreibung des Histonkerns und der gewickelten DNA beschr anken und die Schw anze
vernachl assigen, fuhren wir ein neues Simulationsmodell ein. Hier wird der Histonkern mit
der DNA durch eine geladene Kugel, die Histonschw anze durch auf der Kugelober ache be-
festigte geladene Ketten dargestellt.
Zun achst untersuchen wir den Parameterraum eines einzelnen NCPs. Da die elektrosta-
tische Wechselwirkung mit dem Debye-Huc kel Potenzial modelliert wird, mu zuerst die ef-
fektive Ladung bestimmt werden, die die experimentellen Ergebnisse optimal reproduziert.
Im weiteren Verlauf werden diese Werte benutzt, um die Paarwechselwirkung zweier NCPs
mittels ausfuhrlic her molekulardynamischer Studien zu untersuchen.
Weiterhin wird die Monomerverteilung fur das neue Simulationsmodell untersucht. Ein
De nitionskriterium fur Bruc ken wird aufgestellt und die Existenz von Bruc ken zwischen zwei
Nukleosomkernen gezeigt. Es wird auch bewiesen, da die Monomere die Bruc kenbildung
bzw. die Kondensation an einer der Ober achen einem Aufenthalt zwischen den Kugeln
vorziehen.
Indem man zwischen Kon gurationen unterscheidet, die Bruc ken aufweisen bzw. die keine
Bruc kenbildung zeigen, kann schlie lic h bewiesen werden, da die Bruc ken zwischen den
Kugeln tats achlich fur die beobachtete Anziehung verantwortlich sind.
Unser neues Modell kann als Model zur Untersuchung der Acetylierung (Ladungsreduktion)
der Histonschw anze dienen. Die Reduzierung des Ladungsanteils der Schw anze, fuhrt zur
Absch achung und sogar zum Verschwinden der Anziehung. Eine vor kurzem durchgefuhrte
MC Studie [3] legt nahe, da dieser E ekt fur das Au alten der Chromatinfaser im Fall von
acetylierten Histonschw anzen verantwortlich ist. In diesem Fall w are der Mechanismus, der
von der Acetylierung der Histonschw anze bis hin zur Bildung von Heterochromatin und damit
zur Inaktivierung gr osserer Teile des Erbguts fuhrt, ansatzweise verstanden.
5Abstract
The subject of this thesis are the interactions between nucleosome core particles (NCPs).
NCPs are the primary storage units of DNA in eucaryotic cells. Each NCP consists of a core of
eight histone proteins and a strand of DNA, which is wrapped around about two times. Each
histone protein has a terminal tail passing over and between the superhelix of the wrapped
DNA. Special emphasis was placed on the role of these tails, since experimental ndings
suggest that the tails have a great in uence on the mutual attraction of the NCPs [1,2].
In those experiments Mangenot et al. observe a dramatic change in the con guration of
the tails when a certain salt concentration is reached. For comparable values of the salt
concentration they also nd evidence of mutual attraction between NCPs. This e ect could
possibly be explained by two di eren t interactions: Charge patchiness and tail induced inter-
actions. We present former studies, showing that both e ects are capable to yield attractive
interactions.
We will then brie y review the existing models used in the theoretical approaches and
in simulations concerning single NCPs. Since these models focus on the description of the
histone core and the wrapped DNA, but neglect the histone tails, we introduce the multi
chain complex as a new simulation model. Here the histone core and the wrapping DNA are
modelled via a charged sphere, while the histone tails are represented by oppositely charged
chains grafted on the sphere surface.
We start by investigating the parameter space describing a single NCP. Since the elec-
trostatic interactions are modelled via the Debye-Huc kel potential, we will rst determine
the value of the e ectiv e charge, which gives results closest to experimental data. These
values are subsequently used for a study of the pair-interaction of two NCPs via an extensive
Molecular Dynamics study.
Two further models, the patch model and the single chain model, are derived from the
multi chain model in order to distinguish the contributions to the attraction coming from the
interaction of the charge patches and the tails, respectively. The resulting interactions are
analyzed and compared. For both models attraction is found, however the interaction di ers
considerably in range. While the patch interaction is short ranged, the tail in has a
larger range, similar to the case of the full chain model.
The monomer distribution of the full chain model is investigated. A de ning criterium for
bridges is established and the existence of tail bridges between the cores is demonstrated.
It is also shown, that the monomers favor bridging and condensation on the surface of the
opposite core over residing in the space between both cores.
Finally, by discriminating between bridging and non-bridging con gurations, it can be
shown that the e ect of tail bridging between the spheres does indeed account for the observed
attraction.
The full chain model can serve as a model to study the acetylation of the histone tails of
the nucleosome. The reduction of the charge fraction of the tails, that corresponds to the
process of acetylation, leads to a reduction or even the disappearance of the attraction. This
supports the ndings of a recent MC study [3], that suggested this e ect to be responsible
for the unfolding of the chromatin b er in the case of acetylated histone tails.
In this case the acetylation of the histone tails leads to the formation of heterochromatin,
and one could understand how larger regions of the genetic information could be inactivated
through this mechanism.
78Contents
Introduction 15
1 Experimental facts on NCPs 21
1.1 The nucleosome core particle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2 Con gurational changes of the tails . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.3 Interaction of NCPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2 Theoretical and simulation models for NCPs 29
2.1 Models for a single NCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1.1 Charged sphere chain models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1.2 NCPs and DiSCO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.1.3 Simulation model for NCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2 Multi NCP models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.1 Interactions due to the charge distribution . . . . . . . . . . . . 39
2.2.2 Chain interacting model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.2.3 Simulation models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3 Properties of a single complex 49
3.1 Con gurational changes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2 Average diameter of NCPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3 Monomer distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3.1 High central charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3.2 No central charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.4 Statistical properties of the chains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4 Interactions of complexes 61
4.1 Interaction of the tail systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.1.1 Interaction force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.1.2 In potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.1.3 Statistical properties of the chains . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.1.4 Second virial coe cien t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.1.5 Possible explanations: Patchiness and tail e ects . . . . . . . . . 70
4.1.6 Comparison of the range of the potentials . . . . . . . . . . . . 75
9Contents
5 Tail bridging 81