Αλληλεπιδράσεις και in situ οργάνωση διαμεμβρανικών πρωτεϊνών του πυρηνικού φακέλου: η σύνδεση HP1-LBR

Abstract

Analysing physiological and neoplasmatic cells of human and mouse origin by using primers for HPla and HPlß showed that the expression of these proteins does not differ. Studies on physiological tisssues and primary cultures performed in our laboratory showed complex patterns of subnuclear distribution that cannot be explained just by changes in the expression levels of ΗΡ1α/β, but comply with a mechanism that is regulated by growth factors and mitogens. Based on these facts we focused on delineating the interactions of Heterochromatin Protein 1 (HP1) with chromatin in different molecular contexts in vitro and in vivo. It is widely believed that HP1 targets transcriptionally inactive, constitutive heterochromatin by binding to the trimethylated lysine 9 of histone H3 (me3K9-H3). Despite the elegance and simplicity of this model, binary interactions between HP1 and me3K9-H3 do not seem to account for the whole spectrum of HP1-heterochromatin associations that are observed in vivo. Prompted by these controversies, we examined HP1-chromatin interactions at different levels of complexity and addressed the question whether or not me3K9 constitutes the sole binding site for HP1. Performing in vitro studies, we showed that HP1 exhibits selective binding to non-modified and tailless histone H3, independent of post-translational modifications, associating primarily with the “histone fold” domain. We also demonstrated that HP1 associates more tightly with disrupted nucléosomes (H3/H4 subcomplexes) than with intact particles. Western blotting and mass spectrometry data indicate that HPl-selected particles possess a complex pattern of posttranslational modifications that are not particularly enriched in me3K9-H3 and do not conform strictly to the histone code “rules”. These biochemical studies suggested strongly that HP1 proteins associate with different chromatin substrates in a manner that depends crucially on physical state. Most importantly, we demonstrated that our in vitro observations had an in vivo correlate. Mapping of HP1 and me3K9-H3 sites in vivo revealed overlapping, yet spatially distinct patterns, while in vivo assays showed that stable incorporation ofHP1 into heterochromatin requires passage through the S-phase. These data challenge the histone code dogma that me3K9H3 is necessary and sufficient for HP1 binding and unveil a new mode ofHP 1-chromatin interactions, supporting replication timing as a mechanism in combination with code reading for dictating HP1 binding. Another important part was the study of the interactions between the nuclear envelope (NE) and heterochromatin. A basic constituent of the nuclear envelope is the Lamin B Receptor (LBR), a polytopic inner nuclear membrane protein implicated in chromatin anchorage. Two critical parameters in LBR-chromatin interactions are the physical state of LBR and the molecular features of LBR-associated chromatin. To address these issues, we have isolated fragments of peripheral heterochromatin attached to the inner nuclear membrane. We demonstrated that LBR physically associates with peripheral heterochromatin and specifically that the N-terminal domain of LBR binds to mononucleosomes. Mass spectrometric analysis of the LBR-associated particles revealed complex patterns of methylated/acetylated histones that are devoid of “euchromatic” epigenetic marks. Most importantly, some of thesecombinations would not be anticipated from the currently established rules of the “histone code”. Accumulating evidence suggests that several integral proteins ofthe NE are organized as multi-subunit complexes and may form chromatin-remodeling platforms. In our case, using in vitro assays, we have demonstrated that LBR self-associates through its N-terminal domain and forms specific oligomers at the level ofthe nuclear envelope. Furthermore, using a range of morphological techniques, we have shown that native LBR resides in distinct NE microdomains. This is of particular importance because it suggests that LBR exists in the form of multimeric particles and functions as a nuclear membrane anchor for native heterochromatin. Morphological analysis of heterozygous LBR mutants showed that the normal distribution and fine substructure of LBR microdomains is significantly affected, resulting in a variety ofstructural abnormalities and nuclear defects.

Αρχικός έλεγχος φυσιολογικών και νεοπλασματικών κυττάρων ανθρώπου και ποντικού χρησιμοποιώντας ειδικούς ανιχνευτές για την HPΙα και ΗΡΙβ έδειξε ότι η έκφραση των πρωτεϊνών αυτών δεν διαφέρει σημαντικά. Παράλληλα, μελέτη φυσιολογικών ιστών και πρωτογενών καλλιεργειών που έγινε στο εργαστήριό μας έδειξε σύνθετα πρότυπα υποπυρηνικής κατανομής που δεν θα μπορούσαν εύκολα να αποδοθούν σε αυξομειώσεις της ενδοκυττάριας συγκέντρωσης των ΗΡΙα/β, αλλά θα ήταν πιο συμβατά με έναν μηχανισμό ρύθμισης που εξαρτάται από αυξητικούς παράγοντες και μιτογόνα. Επί τη βάσει αυτών των δεδομένων επικεντρώσαμε τη μελέτη μας στις αλληλεπιδράσεις της πρωτεΐνης ΗΡ1 (Heterochromatin Protein 1) με διαφορετικά χρωματινικά υποστρώματα υπό in vitro και in vivo συνθήκες. Η άποψη που ισχύει ως τώρα είναι ότι η ΗΡ1 εντοπίζεται σε μεταγραφικά ανενεργή, συστατική (constitutive) ετεροχρωματίνη συνδεόμενη ειδικά με την ιστόνη Η3 που είναι μετα-μεταφραστικά τροποποιημένη (τριμεθυλιωμένη) στη λυσίνη 9 (me3K9-H3). Το παραπάνω πρότυπο, παρά την κομψότητα και την απλότητά του δεν επαρκεί όμως για να ερμηνεύσει το ευρύ φάσμα των αλληλεπιδράσεων της ΗΡ1 με την ετεροχρωματίνη πουπαρατηρούνται in vivo. Για αυτόν τον λόγο, μελετήσαμε τις αλληλεπιδράσεις ΗΡ1- χρωματίνης σε διαφορετικά επίπεδα πολυπλοκότητας και διερευνήσαμε κατά πόσον η me3K9-H3 αποτελεί τη μοναδική θέση πρόσδεσης της ΗΡ1. In vitro μελέτες έδειξαν ότι η ΗΡ1 προσδένεται επιλεκτικά σε μη τροποποιημένη ή μερικώς πρωτεολυμένη ιστόνη Η3, αλληλεπιδρώντας κυρίως με το κεντρικό τμήμα της (histone fold). Επίσης δείξαμε ότι η ΗΡ1 συνδέεται πιο ισχυρά στα διασπασμένα νουκλεοσώματα (Η3/Η4 υποσωματίδια) από ότι στα ακέραια σωματίδια. Τα αποτελέσματα της ανοσοαποτύπωσης κατά western και της φασματοσκοπίας μάζας έδειξαν ότι τα σωματίδια που επιλέγει η ΗΡ1 διαθέτουν ένα πολύπλοκο μοτίβο μετα-μεταφραστικών τροποποιήσεων, δεν είναι ιδιαίτερα εμπλουτισμένασε me3K9-H3 και δεν ακολουθούν το σύνολο των κανόνων που υπαγορεύονται από τον ιστονικό κώδικα. Αυτές οι βιοχημικές μελέτες συνηγορούν στην ιδέα ότι οι πρωτεΐνες ΗΡ1 αλληλεπιδρούν μετα διαφορετικά χρωματινικά υποστρώματα με τρόπο που εξαρτάται από τη φυσική κατάσταση της χρωματίνης. Είναι επίσης φανερό ότι οι in vitro παρατηρήσεις μας σχετίζονται με μία τουλάχιστον «χρωματινική κατάσταση» που απαντάται in vivo. Για παράδειγμα, παρατηρήσαμε ότι, η HP1 και η me3K9-H3 δεν συνεντοπίζονται απόλυτα και παρουσιάζουν διακριτά πρότυπα. In vivo πειράματα έδειξαν επίσης ότι η σταθερή ενσωμάτωση της ΗΡ1 στις ετεροχρωματινικές εστίες εξαρτάται από την S φάση. Τα αποτελέσματα αυτά αμφισβητούν το δόγμα ότι η μεθυλίωση στη λυσίνη 9 της ιστόνης Η3 αποτελεί τη μοναδική θέση πρόσδεσης (creates a binding site...) για την ΗΡ1 καιυποστηρίζουν ένα μηχανισμό ενσωμάτωσης που βασίζεται στην αντιγραφή. Ένα άλλο τμήμα της μελέτης μας επικεντρώθηκε στις αλληλεπιδράσεις του πυρηνικού φακέλου με την ετεροχρωματίνη. Ένα βασικό συστατικό του πυρηνικού φακέλου είναι ο LBR (Lamin Β Receptor), μία πολυτοπική πρωτεΐνη της εσωτερικής πυρηνικής μεμβράνης που συμμετέχει στην αγκυροβόληση της χρωματίνης στην περιφέρεια. Δύο βασικοί παράμετροι στις αλληλεπιδράσεις LBR-χρωματίνης είναι η φυσική κατάσταση του LBR και τα μοριακά χαρακτηριστικά της χρωματίνης με την οποία συνδέεται. Για να προσεγγίσουμε τα ερωτήματα αυτά, απομονώσαμε τμήματα περιφερικής ετεροχρωματίνης που είναι προσκολλημένα στην εσωτερική πυρηνική μεμβράνη. Δείξαμε ότι το αμινοτελικό τμήμα του LBR συνδέεται άμεσα με μονονουκλεοσώματα. Ανάλυση των νουκλεοσωματικών σωματιδίων που αλληλεπιδρούν με τον LBR με φασματοσκοπία μάζας απεκάλυψε πολύπλοκα πρότυπα μεθυλιωμένων/ακετυλιωμένων ιστονών που δεν περιέχουν ευχρωματινικές επιγενετικές τροποποιήσεις. Επίσης, μερικοί από τους συνδυασμούς που ανιχνεύθηκαν δεν ήταν συμβατοί με τους κανόνες του «ιστονικού κώδικα». Πολλές από τις διαμεμβρανικές πρωτεΐνες του πυρηνικού φακέλου οργανώνονται σε πολυπρωτεϊνικά σύμπλοκα και σχηματίζουν πλατφόρμες αναδιαμόρφωσης χρωματίνης. Πειράματα in vitro έδειξαν ότι ο LBR αλληλεπιδρά με τον εαυτό του μέσω του αμινοτελικού τμήματος και σχηματίζει ολιγομερή στο επίπεδο του πυρηνικού φακέλου. Επίσης, χρησιμοποιώντας μία ποικιλία μορφολογικών τεχνικών, δείξαμε ότι ο ενδογενής LBRεντοπίζεται σε διακριτές νησίδες στον πυρηνικό φάκελο. Τέλος, μορφολογική ανάλυση τωνετερόζυγων μεταλλάξεων του LBR στα ποντίκια έδειξε ότι η φυσιολογική κατανομή καθώς και η οργάνωση των νησίδων που σχηματίζει ο LBR στον φάκελο διαταράσσεται σημαντικά προκαλώντας μία ποικιλία δομικών και πυρηνικών αλλοιώσεων