Розподіл петельних доменів хроматину за розміром і функціональним станом та його реорганізація при активації клітин: аналіз даних Ні-С

Chromatin structure at high levels of its organization, which remains not to be completely understood, attracts much attention because it is the basis of regulation of functional processes in nuclei of eukaryotic cells. An important aspect of this organization is the existence of relatively autonomic structural elements, the chromatin loop domains. Hi-C is one of the most effective methods to study the three-dimensional structure of chromatin. The bioinformatic databases contain much Hi-C data that have not been examined completely. In particular, a detailed analysis of the loop sizes and regularities of their location in defined chromatin regions (transcriptionally active or inactive) has not been performed, it remains to be seen how the loop density and sizes change, if there is any change, depending on the functional activity of chromatin regions.The aim of the study was to figure out the peculiarities of the size and functional state distribution of the chromatin loop domains in cells with different functional activity.Materials and methods: bioinformatic analysis of the Hi-C data deposited in databases of open access.Results: the size distributions of the chromatin loop domains in cells of different types, the distribution of the loop domains among different chromatin compartments in lymphoblastoid GM12878 cells and the size distributions within these compartments have been obtained, the changes in the loop size distribution under mouse lymphocyte activation have been analyzed.Conclusions:  the contour length of the loop domains is distributed exponentially, the distribution parameters are cell-specific, the majority of the loops are located in euchromatin regions, and the cell activation is accompanied by an increase in both the number of loops and their contour lengthСтруктура хроматина на высших уровнях его организации, оставаясь не до конца выясненной, привлекает большое внимание, поскольку лежит в основе регуляции функциональных процессов в ядах эукариотических клеток. Важным аспектом этой организации является наличие относительно автономных структурных элементов – петельных доменов хроматина. Одним из наиболее эффективных методов исследования пространственной структуры хроматина является метод Ні-С. Биоинформатические базы данных содержат большие массивы данных Ні-С, которые не были детально проанализированы. В частности, не проводился подробный анализ размеров петель и закономерностей их размещения в определенных хроматиновых зонах ядра (транскрипционно активных или неактивных), остается неизвестным, как изменяется и изменяется ли вообще плотность и размеры петель в зависимости от функциональной активности хроматиновых участков.Цель исследования заключалась в выяснении особенностей распределения петельных доменов хроматина по размеру и функциональному состоянию в клетках с разной функциональной активностью.Материалы и методы: биоинформатический анализ данных, полученных методом Ні-С, депонированных в общедоступных базах данных.Результаты: получены распределения петельных доменов хроматина по размеру в клетках разных типов, распределение петельных доменов по разным компартментам хроматина в лимфобластоидных клетках GM12878 и распределения по длине в пределах этих компартментов, а также проанализированы изменения в распределении петель по длине при активации лимфоцитов мыши.Выводы: распределение петельных доменов хроматина по длине имеет экспоненциальный характер, параметры распределения зависят от типа клеток, бόльшая часть петель размещена в пределах эухроматиновых компартментов, а возрастание транскрипционной активности сопровождается увеличением количества петель при одновременном возрастании их средней контурной длиныСтруктура хроматину на найвищих рівнях його організації, залишаючись не до кінця зрозумілою, привертає велику увагу, оскільки лежить в основі регуляції функціональних процесів в ядрах еукаріотичних клітин. Важливим аспектом цієї організації є наявність відносно автономних структурних елементів – петельних доменів хроматину. Одним з найефективніших методів дослідження просторової структури хроматину є метод Ні-С. Біоінформатичні бази даних містять великі масиви даних Ні-С, які не були детально проаналізовані. Зокрема, не було проведено детальний аналіз розмірів петель та закономірностей їх розташування у певних хроматинових зонах ядра (транскрипційно активних чи неактивних ділянках), залишається невідомим, як змінюється і чи змінюється взагалі щільність та розміри петель в залежності від функціональної активності хроматинових ділянок.Мета дослідження полягала у з'ясуванні особливостей розподілу петельних доменів хроматину за розміром та функціональним станом у клітинах з різною функціональною активністю.Матеріали та методи: біоінформатичний аналіз даних, отриманих методом Ні-С, депонованих у загальнодоступних базах даних.Результати: отримано розподіли петельних доменів хроматину за довжиною у клітинах різних типів, розподіл петельних доменів по різних компартментах хроматину в лімфобластоїдних клітинах GM12878 та розподіли за довжиною у межах цих компартментів, а також проаналізовано зміни у розподілі петель за довжиною при активації лімфоцитів миші.Висновки: розподіл петельних доменів хроматину за розміром має експоненційний характер, параметри розподілу є клітино-специфічними, більша частина петель розташована в межах еухроматинових зон, а підвищення транскрипційної активності клітини супроводжується зростанням кількості петель при одночасному підвищенні їхньої середньої контурної довжин

Association of the EPHA1 gene polymorphism with idiopathic mild intellectual disability

Aim. To investigate a possible association of the EPHA1 gene polymorphism with mild intellectual disability (ID). Methods. The group of patients with mild (IQ score between 50 and 70) idiopathic intellectual disability consisted of 65 individuals including 41 (63.1 %) males and 24 (36.9 %) females. The control group consisted of 250 healthy volunteers from different regions of Ukraine. The genotyping was performed using PCR followed by RFLP analysis for rs11768549, rs11767557, rs11771145 and ARMS PCR analysis for novel c.1891G>A EPHA1 gene mutation. Results. The data concerning the EPHA1 genotypes and allelic variants distribution in ID patients and control group were obtained. Statistical analysis showed a significant association of minor rs11768549-A allele (OR = 3.96, 95 % CI = 1.13 – 13.89) and wild-type rs11767557-T (OR = 1.99, 95 % CI = 1.18 – 3.37) and rs11771145-G (OR = 1.55, 95 % CI = 1.02– 2.37) alleles with a higher risk of mild ID development (pA мутації в гені EPHA1. Результати. Отримані дані про розподіл генотипів і алельних варіантів гена EPHA1 в групі пацієнтів з ІН і в контрольній групі. За результатами статистичного аналізу встановлено достовірну асоціацію мінорного rs117685 49- A алеля (OR = 3.96, 95 % CI = 1.13 – 13.89) і алелів дикого типу rs11767557-T (OR = 1.99, 95 % CI = 1.18–3.37) та rs11771145-G (OR = 1.55, 95 % CI = 1.02 – 2.37) з більш високим ризиком розвитку легкої ІН (р A мутации в гене EPHA1. Результаты. Были получены данные о распределении генотипов и аллельных вариантов гена EPHA1 в группе пациентов с ИН и в контрольной группе. Статистический анализ показывает достоверную ассоциацию минорного rs11768549-A аллеля (OR = 3.96, 95 % CI = 1.13 – 13.89) и аллелей дикого типа rs11767557-T (OR = 1.99, 95% CI = 1.18 – 3.37) и rs11771145-G (OR = 1.55, 95 % CI = 1.02– 2.37) с более высоким риском развития легкой ИН (р <0,05 для всех). Выводы. Наши результаты показывают, что SNPs (rs11768549, rs11767557, rs11771145) в гене EPHA1 ассоциированы с легкой идиопатической интеллектуальной недееспособностью. Поэтому мы предлагаем EPHA1 в качестве нового гена кандидата и полиморфизмы rs11768549, rs11767557, rs11771145 в качестве новых маркеров генетической предрасположенности к интеллектуальной недееспособности

Chromatin in fractal globule state: evidence from comet assay

At higher order levels chromatin is organized into loops that appear as a result of contacts between distant loci. The aim of this work was to investigate the length distribution of the DNA loops in nucleoids obtained after lysis of either whole cells or isolated cell nuclei. Methods. We used single cell gel electrophoresis to analyze the kinetics of the DNA loop migration from the two nucleoid types. Results. The kinetics of the DNA exit was found to have specific features for the two types of nucleoids. At the same time, in both cases, the DNA amount in the electrophoretic track depends linearly on the length of the longest loops in the track. Conclusions. We have concluded that for the loops up to ~ 100 kb the length distribution appears to be consistent with the fractal globule organization.В інтерфазному ядрі хроматин організований у вигляді петельних доменів, що виникають у результаті контактів між віддаленими локусами. Мета роботи полягала у дослідженні розподілу за довжиною петельних доменів ДНК у нуклеоїдах, отриманих шляхом лізису клітин або ізольованих ядер. Методи. Ми застосовували метод електрофорезу ДНК ізольованих клітин для аналізу кінетики міграції петель ДНК із двох типів нуклеоїдів. Результати. Кінетичні криві, що описують вихід ДНК із двох типів нуклеоїдів, відрізнялися декількома особливостями. У той самий час, в обох випадках кількість ДНК в електрофоретичному треку лінійно залежить від розміру найдовших петель у ньому. Висновки. Отримані результати свідчать, що для петель до ~100 kb їхній розподіл за довжиною узгоджуються зі структурою фра­ктальної глобули.В интерфазном ядре хроматин организован в виде петельных доменов, возникающих в результате контактов между отдаленными локусами. Цель работы заключалась в исследовании распределения по длине петельных доменов ДНК в нуклеоидах, полученных путем лизиса клеток или изолированных ядер. Методы. Мы использовали электрофорез ДНК изолированных клеток для анализа кинетики миграции петель ДНК из двух типов нуклеоидов. Результаты. Кинетические кривые, описывающие выход ДНК из двух типов нуклеоидов, отличались рядом особенностей. В то же время, в обоих случаях количество ДНК в электрофоретическом треке линейно зависит от длины наибольших петель в нем. Выводы. Полученные результаты указывают, что для петель до ~ 100 kb их распределение по длине согласуется со структурой фрактальной глобулы

DNA loop organization in glioblastoma T98G cells at their different functional states

The loop domain organization of chromatin, which plays an important role in transcription regulation, may depend on the cell functional state. Aim. To investigate DNA loop reorganization upon functional transitions in the glioblastoma T98G cells. Methods. Single cell gel electrophoresis (a comet assay) was used to analyze the kinetics of the DNA loop migration from the nucleoids obtained from the lysed cells. Results. The cells arrested in the G1 phase of the cell cycle were characterized by a relatively low amount of DNA in the comet tails due to a low content of DNA in the loops which may be resolved by the comet assay (up to ~300 kb). After cell reactivation, the contour length of the loops essentially increased in parallel with a decrease in the linear loop density along the genome. Conclusions. An increase in the loop size and a respective decrease in the loop density may be a general feature of activated cells as we earlier observed similar effects upon activation of human lymphocytes.Організація петельних доменів хроматину, яка відіграє важливу роль у регуляції транскрипції, напевно може залежати від функціонального стану клітини. Мета. Дослідити можливу реорганізацію петель ДНК при функціональних переходах у гліобластомних клітинах T98G. Методи. Ми застосовували метод електрофорезу ДНК ізольованих клітин (кометний електрофорез) для аналізу кінетики міграції петель ДНК з нуклеоїдів, отриманих з лізованих клітин. Результати. Клітини, заарештовані на фазі G1 клітинного циклу, характеризуються порівняно низьким вмістом ДНК у хвостах комет внаслідок низького вмісту ДНК у складі петель, що знаходяться у межах роздільної здатності кометного електрофорезу (до ~300 кб). Після реактивації клітин контурна довжина петель суттєво зростає, паралельно зі зниженням лінійної щільності петель уздовж геному. Висновки. Оскільки подібні ефекти спостерігались нами раніше для активованих лімфоцитів, ми робимо висновок, що зростання розміру петель та відповідне зниження їхньої лінійної щільності може бути загальною характеристикою активованих клітин.Организация петельных доменов хроматина, играющая важную роль в регуляции транскрипции, предположительно может зависеть от функционального состояния клетки. Цель. Исследовать возможной реорганизации петель ДНК при функциональных переходах в глиобластомных клетках T98G. Методы. Мы использовали электрофорез ДНК изолированных клеток (кометный электрофорез) для анализа кинетики миграции петель ДНК из нуклеоидов, полученных из лизированных клеток. Результаты. Клетки, арестованные на фазе G1 клеточного цикла, характеризуются сравнительно низким содержанием ДНК в хвостах комет из-за низкого содержания ДНК в составе петель, которые находятся в пределах разрешающей способности кометного электрофореза (до ~300 кб). После реактивации клеток контурная длина петель существенно возрастает, параллельно со снижением линейной плотности петель вдоль генома. Выводы. Поскольку аналогичные эффекты наблюдались нами ранее для активированных лимфоцитов, мы заключили, что возрастание размера петель и соответствующее снижение их линейной плотности может быть общей характеристикой активированных клеток

DNA loop domain rearrangements in blast transformed human lymphocytes and lymphoid leukaemic Jurkat T cells

Chromatin loops are important elements of both chromatin higher-order structure and transcription regulation system. Our previous works have shown that several features of the loop domain organization could be investigated by single cell gel electrophoresis (the comet assay) using the kinetic approach. In this study we applied this technique to study DNA loop domain organization in lymphoid cells: human lymphocytes, lymphoblasts cultivated during 24 h and 44 h, and T cells of Jurkat cell line. Two features of the loop domain organization were found to depend on the cell functional state. First, DNA fraction in the loops of large sizes (more than ~200 kb) was essentially increased in proliferating (de-differentiated) cells in comparison with terminally differentiated lymphocytes. Second, the linear density of the loops not larger than ~200 kb was decreased in transcriptionally active cells and was increased upon their inactivation

Influence of chloroquine on kinetics of single-cell gel electrophoresis

In single-cell gel electrophoresis (the comet assay) the DNA of lysed cells, the nucleoids, extends towards the anode in a track resembling a comet tail. The aim of this work was to investigate the effects of changes in DNA topology on this process. Methods. We used the kinetic approach, proposed earlier by us, to measure a relative amount of DNA in the comet tails as a function of time in the presence of different concentrations of chloroquine, a widely used intercalator. Results. We have shown that, at given small concentrations, intercalation of chloroquine strongly facilitates the comet tail formation. At the same time, some part of DNA (about 8 %) in the nucleoids exits very fast independently on chloroquine, while the largest part of DNA (about three quarters) does not exit at all. At high concentrations the intercalator increases the fraction of DNA, which cannot exit. Conclusions. Our results imply that the loop domains, which contain about one to several hundreds kilobases, represent only a small part (about a quarter) of DNA in the nucleus. The intercalation induces detachment of these loops from the nuclear matrix. Keywords: comet assay, chloroquine, intercalation, DNA loops, supercoiling.При електрофорезі ізольованих клітин (кометному електрофорезі) ДНК виходить з лізованих клітин (нуклеоїдів) у напрямку до аноду, утворюючи трек, що нагадує хвіст комети. Мета роботи полягала у вивченні впливу топологічних змін у ДНК на цей процес. Методи. Використано запропонований нами раніше кінетичний підхід для вимірювання відносного вмісту ДНК у хвостах комет залежно від часу за присутності різних концентрацій хлорокіну – одного з відомих інтеркаляторів. Результати. Показано, що за певних низьких концентрацій інтеркаляція хлорокіну суттєво прискорює формування хвостів комет. З іншого боку, невелика кількість ДНК нуклеоїдів (близько 8 %) виходить дуже швидко незалежно від хлорокіну, тоді як більша частина (приблизно три чверті) – не виходить взагалі. За високих концентрацій інтеркалятора зростає ця нездатна до виходу частина ДНК. Висновки. Одержані результати вказують на те, що петельні домени, які містять від однієї до кількох сотень пар основ, представляють лише малу частину (близько чверті) усієї ДНК нуклеоїда. Інтеркаляція спричиняє від’єднання цих петель від ядерного матриксу. Ключові слова: кометний електрофорез, хлорокін, інтеркаляція, петлі ДНК, надспіралізація.При электрофорезе изолированных клеток (кометном электрофорезе) ДНК выходит из лизированных клеток (нуклеоидов) в направлении анода, формируя трек, напоминающий хвост кометы. Цель работы состояла в изучении влияния топологических изменений в ДНК на этот процесс. Методы. Использован предложенный нами ранее кинетический подход для измерения относительного содержания ДНК в хвостах комет в зависимости от времени в присутствии различных концентраций хлорокина – одного из известных интеркаляторов. Результаты. Показано, что при определенных низких концентрациях интеркаляция хлорокина существенно ускоряет формирование хвостов комет. С другой стороны, небольшое количество ДНК нуклеоидов (около 8 %) выходит очень быстро независимо от хлорокина, тогда как большая часть (приблизительно три четверти) – не выходит вообще. При высоких концентрациях интеркалятора увеличивается эта неспособная к выходу часть ДНК. Выводы. Наши результаты указывают на то, что петельные домены, содержащие от одной до нескольких сотен пар нуклеотидов, составляют только малую часть (около четверти) всей ДНК нуклеоида. Интеркаляция вызывает отсоединение этих петель от ядерного матрикса. Ключевые слова: кометный электрофорез, хлорокин, интеркаляция, петли ДНК, сверхспирализация

Nucleosome Chiral Transition under Positive Torsional Stress in Single Chromatin Fibers

Using magnetic tweezers to investigate the mechanical response of single chromatin fibers, we show that fibers submitted to large positive torsion transiently trap positive turns, at a rate of one turn per nucleosome. A comparison with the response of fibers of tetrasomes (the (H3-H4)2 tetramer bound with ~50 bp of DNA) obtained by depletion of H2A-H2B dimers, suggests that the trapping reflects a nucleosome chiral transition to a metastable form built on the previously documented righthanded tetrasome. In view of its low energy, <8 kT, we propose this transition is physiologically relevant and serves to break the docking of the dimers on the tetramer which in the absence of other factors exerts a strong block against elongation of transcription by the main RNA polymerase.Comment: 33 pages (double spacing), 7 figure

Structural plasticity of single chromatin fibers revealed by torsional manipulation

Magnetic tweezers are used to study the mechanical response under torsion of single nucleosome arrays reconstituted on tandem repeats of 5S positioning sequences. Regular arrays are extremely resilient and can reversibly accommodate a large amount of supercoiling without much change in length. This behavior is quantitatively described by a molecular model of the chromatin 3-D architecture. In this model, we assume the existence of a dynamic equilibrium between three conformations of the nucleosome, which are determined by the crossing status of the entry/exit DNAs (positive, null or negative). Torsional strain, in displacing that equilibrium, extensively reorganizes the fiber architecture. The model explains a number of long-standing topological questions regarding DNA in chromatin, and may provide the ground to better understand the dynamic binding of most chromatin-associated proteins.Comment: 18 pages, 7 figures, Supplementary information available at http://www.nature.com/nsmb/journal/v13/n5/suppinfo/nsmb1087_S1.htm

Promoter prediction using physico-chemical properties of DNA

The ability to locate promoters within a section of DNA is known to be a very difficult and very important task in DNA analysis. We document an approach that incorporates the concept of DNA as a complex molecule using several models of its physico-chemical properties. A support vector machine is trained to recognise promoters by their distinctive physical and chemical properties. We demonstrate that by combining models, we can improve upon the classification accuracy obtained with a single model. We also show that by examining how the predictive accuracy of these properties varies over the promoter, we can reduce the number of attributes needed. Finally, we apply this method to a real-world problem. The results demonstrate that such an approach has significant merit in its own right. Furthermore, they suggest better results from a planned combined approach to promoter prediction using both physicochemical and sequence based techniques