نقش گسترۀ انرژی وابسته به توالی در شکل‌گیری نواحی فاقد نوکلئوزوم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده فیزیک، دانشگاه تحصیلات تکمیلی علوم پایه، زنجان

چکیده
ناحیۀ فاقد نوکلئوزوم، به اختصار NDR، بخشی از ژنوم است که نقش کلیدی در اتصال اجزای ماشین رونویسی از جمله RNA پلیمراز و عامل­های رونویسی ایفا می‌کند. اشغال این ناحیه توسط نوکلئوزوم‌ها می‌تواند عملکرد صحیح این فرایندها را مختل کند. جای‌گیری نوکلئوزوم‌ها در طول ژنوم تا حد زیادی تابع ویژگی‌های توالی DNA است. در این مطالعه، با ارائۀ الگوی تصادفی مبتنی بر گسترۀ انرژی، حرکت پخشی نوکلئوزوم‌ها در راستای DNA شبیه‌سازی شده است. با استفاده از الگوریتم گیلسپی، حرکت نوکلئوزوم‌ها در امتداد یک توالی ۹۰۱ جفت‌بازی الگو‌سازی شده و احتمال اشغال نوکلئوزومی در طول ژن بررسی شده است. نتایج نشان می‌دهد که نواحی پرانرژی مانند موانع فیزیکی از تشکیل نوکلئوزوم جلوگیری کرده و منجر به پیدایش نواحی NDR می‌شوند. همچنین انرژی نواحی مجاور نیز بر شکل‌گیری NDR و الگوی اشغال نوکلئوزومی تأثیر می‌گذارد. جای‌گیری آماری نوکلئوزوم‌ها در اطراف NDR نیز در نتایج مشاهده می‌شود. این الگو می‌تواند چارچوبی نظری برای درک بهتر سازمان‌یافتگی کروماتین در شرایط آزمایشگاهی و درون سلولی فراهم سازد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله English

The role of sequence-dependent energy landscape in the formation of nucleosome-depleted regions

نویسندگان English

Mahshid Habibi
Farshid Mohammad-Rafiee
Institute for Advanced Studies in Basic Sciences, Zanjan, Iran
چکیده English

The nucleosome-depleted region is a part of the genome that serves as a binding site for key components of the transcriptional machinery, including RNA polymerase, transcription factors, motor proteins, and other essential cellular regulators. Occupation of this region by nucleosomes can disrupt proper transcriptional function. The sequence-dependent mechanical properties of DNA strongly influence nucleosome positioning along the genome. In this study, we present a stochastic model based on the sequence-dependent energy landscape to simulate the diffusive motion of nucleosomes along DNA. Using the Gillespie algorithm, we model the dynamics of nucleosomes along a 901-base-pair DNA segment and compute the nucleosome occupancy profile. The results show that high-energy regions act as physical barriers to nucleosome formation, leading to the emergence of NDRs. Moreover, the energy landscape of the adjacent regions plays a crucial role in the formation of NDRs and the overall distribution of nucleosomes. From the simulations, we can see a natural pattern in how nucleosomes are positioned around these NDRs. This model provides a theoretical framework for improving our understanding of chromatin organization both in vitro and in vivo.

کلیدواژه‌ها English

Nucleosome
Nucleosome-Depleted region
Nucleosome positioning
Nucleosome occupancy
DNA sequence
  1. B Alberts, et al., “Molecular Biology of the Cell”, Garland Science, New York (2008).
  2. K Luger, et al., Nature 389 (1997) 251.
  3. K Shantanu, B Tripti, and P Ranjith, Rev. E 106 (2022) 024408.
  4. H Schiessel, Phys. Condensed. Matter 15 (2003) 699.
  5. B Eslami-Mossallam, H Schiessel and J Van Noort , Adv. Colloid Interface Sci. 232 (2016) 101.
  6. K Struhl and E Segal, Struct. Mol. Biol. 20 (2013) 267.
  7. T van der Heijden, et al., PNAS 109 (2012) E2514.
  8. R V Chereji and D J Clark, J. 114 (2018) 2279.
  9. N Kaplan, et al., Nature 458 (2009) 362.
  10. I Albert, et al., Nature 446 (2007) 572.
  11. E Segal, et al., Nature 442 (2006) 772.
  12. F Ozsolak, et al., Biotechnol. 25 (2007) 244.
  13. A Barski, et al., Cell 129 (2007) 823.
  14. A Jansen and K J Verstrepen, Mol. Biol. Rev 75 (2011) 301.
  15. M Radman-Livaja and O J Rando, Bio. 339 (2010) 258.
  16. L Bai, A Ondracka and F R, Molecular cell 42 (2011) 465.
  17. C Jiang and B F Pugh, Genome biology. 10 (2009) 1.
  18. Q Zhang, et al., Chem. Phys. 9 (2009) 5131.
  19. L Bai and A V Morozov, Cell 26 (2011) 379.
  20. A L Thastrom, M Bingham, and J Widom, Mol. Biol. 338 (2004) 695.
  21. A Travers, et al., Biosyst. 5 (2009) 1582.
  22. K Struhl and E Segal, Struct. Mol. Biol. 20 (2013) 267.
  23. E Segal and J Widom, Opin. Struct. Biol. 19 (2009) 65.
  24. S C Satchwell , H R Drew and A A Travers, Mol. Biol. 191 (1986) 659.
  25. T E Shrader and D M Crothers, Natl. Acad. Sci. 86 (1989) 7418.
  26. H Schiessel, Annu. Rev. Matter Phys. 14 (2023) 193.
  27. W k Olson , et al., Natl. Acad. Sci. 95 (1998) 11163.
  28. S Klempahn, R Blossey and H Schiessel, Rev. Res. 6 (2024) 023236.
  29. D Norouzi, F Mohammad-Rafiee, Biomol. Struct. Dyn. 32 (2014) 104.
  30. I M Kulić and H Schiessel, Phys. Rev. Lett. 91 (2003) 148103.
  31. D T Gillespie, Phys. Chem. 81 (1977) 2340.
  32. A Atakhani, F Mohammad-Rafiee and A Gholami, PloS one. 14 (2019) e0213810.
  33. A Atakhani, F Mohammad-Rafiee and A Gholami, J. Phys. Res 19 (2019) 185 (Persian).
  34. F Khodabandeh, H Fatemi and F Mohammad-Rafiee, Soft Matter16 (2020) 4806.
  35. A Rezaie Dereshgi and F Mohammad-Rafiee, J. Phys. Res 18 (2019) 467 (Persian).
  36. A Rezaie-Dereshgi, F Mohammad-Rafiee, Chem. Phys. 148 (2018) 135101.
  37. R Padinhateeri and J F Marko, Natl. Acad. Sci. U.S.A. 108 (2011) 7799.
  38. R Padinhateeri, J Yan and J F, PNAS Biophysics 104 (2007) 3413649.
  39. J J Parmar, J F Marko and R Padinhateeri R, Nucleic Acids Res. 42 (2014) 128.
  40. H Kharerin and L Bai, PLoS Comput. Biol 17 (2021) e1008560.

تحت نظارت وف بومی