Cooperazione tra fattori di trascrizione bHLH e istoni per l'accesso al DNA

Natura volume 619, pagine 385–393 (2023) Citare questo articolo

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La famiglia base di fattori di trascrizione elica-ansa-elica (bHLH) riconosce motivi di DNA noti come E-box (CANNTG) e comprende 108 membri1. Qui indaghiamo come le E-box cromatinizzate sono impegnate da due proteine ​​bHLH strutturalmente diverse: il proto-oncogene MYC-MAX e il fattore di trascrizione circadiano CLOCK-BMAL1 (rif. 2,3). Entrambi i fattori di trascrizione si legano alle E-box preferenzialmente vicino ai siti di ingresso-uscita nucleosomiale. Studi strutturali con sequenze nucleosomiche ingegnerizzate o native mostrano che MYC-MAX o CLOCK-BMAL1 innescano il rilascio di DNA dagli istoni per ottenere l'accesso. In cima alla patch acida H2A-H2B4, i domini di dimerizzazione CLOCK-BMAL1 Per-Arnt-Sim (PAS) impegnano il disco ottamero dell'istone. Il legame delle E-box tandem5,6,7 alle sequenze di DNA endogeno avviene attraverso interazioni dirette tra due protomeri e istoni CLOCK-BMAL1 ed è importante per il ciclo circadiano. Nelle E-box interne, la cerniera leucina MYC-MAX può anche interagire con gli istoni H2B e H3 e il suo legame è indirettamente potenziato da OCT4 in altre parti del nucleosoma. La posizione della E-box nucleosomiale e il tipo di dominio di dimerizzazione bHLH determinano congiuntamente il contatto istonico, l'affinità e il grado di competizione e cooperatività con altri fattori legati al nucleosoma.

La famiglia dei fattori di trascrizione (TF) bHLH umani è composta da 108 membri che formano coppie di omo- ed eterodimeri1,8. I membri della famiglia bHLH controllano processi biologici essenziali che vanno dalla crescita cellulare, proliferazione e metabolismo9, neurogenesi10 e miogenesi11, alla risposta all'ipossia12 e ai ritmi circadiani13,14. La piega di legame del DNA bHLH contiene un'elica basica N-terminale che interagisce con il solco principale del DNA, seguita da un anello e da una seconda α-elica15. I domini di legame del DNA bHLH possono essere uniti a diversi tipi di domini di dimerizzazione come domini con cerniera leucina (LZ) (ad esempio, MYC, MAX e MAD), domini PAS (ad esempio, CLOCK, BMAL1 e HIF1α) o domini arancioni (per esempio, HES1–HES7)1. Diverse famiglie di proteine ​​bHLH riconoscono un motivo centrale del DNA chiamato Ephrussi o Enhancer-box (E-box), che è una breve sequenza palindromica con un motivo CANNTG degenerato, presente circa 15 milioni di volte nel genoma umano16. Ci siamo concentrati su due membri bHLH strutturalmente ed evolutivamente distinti dai cladi bHLH-LZ e bHLH-PAS, rappresentati rispettivamente dal regolatore della proliferazione MYC-MAX e dal circadiano TF CLOCK-BMAL1.

Il proto-oncogene MYC ha un ruolo essenziale nei circuiti cellulari per regolare la crescita cellulare17. La maggior parte dei tipi di tumore mostra un'espressione deregolamentata di MYC a causa di alterazioni dirette del locus (ad esempio, amplificazione o traslocazione genica) o dall'attivazione di vie di segnalazione a monte (Wnt, Notch e così via), con conseguente trasformazione oncogenica guidata da MYC18. Come attivatore trascrizionale, MYC funziona con MAX (di seguito MYC-MAX). MAX, a sua volta, forma omodimeri ed eterodimeri con altre proteine ​​bHLH-LZ MXD1–MXD4, MNT e MGA che funzionano come repressori trascrizionali9.

L'eterodimero bHLH-PAS TF CLOCK-BMAL1 è un componente cruciale dell'orologio molecolare che conferisce un periodo di circa 24 ore per l'espressione ritmica di quasi il 40% del genoma (attraverso i tessuti), compresi i geni essenziali nel metabolismo, nella secrezione ormonale e nella ciclo cellulare19,20. CLOCK-BMAL1 interagisce con elementi E-box e coregolatori, inclusi i repressori circadiani dedicati Periodo (PER) e Criptocromo (CRY), per guidare le oscillazioni trascrizionali durante il giorno21.

Un meccanismo di regolazione essenziale che governa l'accesso dei TF ai siti bersaglio genomici è l'ambiente della cromatina, in cui i nucleosomi limitano il legame dei TF al DNA22,23. Si stima che le proteine ​​bHLH leghino meno dell'1% delle E-box totali in un dato momento24. Tuttavia, i meccanismi attraverso i quali i singoli TF bHLH leggono le E-box incorporate nel nucleosoma all'interno della cromatina e attraverso i quali i membri bHLH cooperano con altri TF, sono sconosciuti.