NUCLEAIRE 3D GENOOMSTRUCTUUR & ORGANISATIE
Eukaryote genomen = 1000x genoom bacteria
- Eukaryoe genomen bevatten veel regulatorische DNA/RNA
& coderen voor multicellualire ontwikkeling
3D GENOOM ORGANISATIE-NIVEAUS
- Nooit dubbele helix onder microscoop te zien
- Dubbele helix zal verder opvouwen tot nucleosoom
o = magneten die cellen & DNA verder oprollen
- Opvouwing gereguleerd dmv verschillende mechanisme
=> DNA mag niet verstrengeld geraken
- Ontstaan lussen wnr DNA oprolt geregeld dmv bepaalde eiwitten
- Lussen samen verpakt in TAD domeinen
o TAD = topological associated domains
o Combo van genen & genclusters hebben soms gemeenschappelijk doel om bepaalde zaken te
maken
Andere lussen in LAD domeinen
o LAD = lamine associated domain
o Gekoppeld aan lamine membraan nucleus
- In cel verschillende TAD & LAD domeinen = verzameling lussen
- Kunnen territorium voorstellen met actief DNA = euchromatine
Elk celtype & weefsel zal kern moeten organiseren met TAD & LAD domeinen zodat juiste genen in
juiste clusters zitten => in juiste territoria associëren om juiste weefsel te vormen
Dynamisch proces
o Tijdens embryogenese zullen ifv tijd veranderen totdat gedifferentieerde cel gevormd is
Chromosomen kunnen gevisualiseerd worden in territoria
TAD & LAD domeinen
- TAD & LAD domeinen kunnen verschillen in hydrofobiciteit & hydrofiliciteit
- Verantwoordelijk voor bepaalde factoren
o Histonmidificatie kan met methyl & acetyl
Acetyl = negatief geladen => meer in hydrofiele omgeving
Methyl = inerta activiteit => meer richting repressie genen = hydrofobicitiet
o Lipiden kunnen aan histonen gekoppeld worden => worden hydrofoob
Kan cel voorstellen als microdomeinen met vetdruppels & in compartimenten zitten
lussen DNA & chromatine
Verschillende graden van chromatine ‘lus’-densiteit
- Lusvorming treedt op vanaf moment dat chromatine vezels van 30nm gevormd
zijn
- Vezels gaan opvouwen in lussen
o Lussen kunnen regulatorische gebieden in contact brengen
liggen soms 100.000bp uit elkaar
- Gen gereguleerd door seq 100.000 bp verder gelegen
o laat toe om in kaart te brengen welke enhancer seq op grote afstand
de gen activiteit kunnen regelen
1
,HIËRARCHISCHE NIVEAUS
1) chromosoomterritoria
o elk chromosoom in eigen ruimtelijke compartimenten in kern
o euchromatine = actief = centraal gelegen
heterochromatine = inactief = perifeer gelegen
2) compartimenten
o A-compartiment = actief, gen-rijk & open chromatine
o B-chromatine = inactief, compact & vaak aan lamina
o Genexpressie geregeld door wisseling A&B
3) TADs
o Domeinen waarin DAN-regio’s frequent fysiek met elkaar interageren
o Belangrijk voor enhacer-promotor interacties
4) Chromatine loops
o Lussen => vaak gevormd door cohesine & begrens door CTCF
o Reguleren genexpressie door enhacers in contact te brengen met doelgenen
5) Nucleosoom niveau
o DNA gewikkeld rond histonen = basis hogere-orde structuren
ROL NUCLEIARE ORGANISATIE IN 3D GENOOMORGANISATIE
Nucleaire subcompartimentalisatie van actieve genoomdomeinen via lussen
- Lussen kunnen opengevouwen worden voor transcriptie
o Dmv histon modifying enzymen, chromatine remodeling complexen & RNA polymerase
- Actieve genoomdomeinen verzamelen via lussen in transcritpie-domeinen
Verandering in gen expressie afhankelijk van switch nucleaire compartimenten
- Kunnen in bepaalde compartimenten zitten
- 1TAD kan verhuizen van compartiment
o Gebeurd door bepaalde modificaties
o RNA polymerase kan binden => verandering RNA activiteit
Structuur & compartimentalisatie van kern regelen hoe genoom wordt
gevouwen & functioneert
- Nucleaire lamine verankert heterochromatine (LAD) => genrepressie
- Nucleolus huisvest rDNA & trekt omliggende inactieve domeinen aan
- Kernlichamen beïnvloeden RNA-processing & genactiviteit
- Mechanische eigenschappen bepalen hoe chromosomen zich herstructureren
- Ruimtelijke positionering bepaalt hoe toegankelijkheid voor transcriptie, replicatie & reparatie
2
,MECHANISCHE STRESS ZORGT VOOR 3D-GENOOMORGANISATIE
- Deformatie van kern
o Wijzigingen van chromatinelocatie
- Lamina spanning of schaden
o Herschikking van LADs
- Uitrekken van chromatinevezels
o Verhoogde toegankelijkheid & activatie van genen
- Signaaltransductie via mechanosensoren
o Zorgt voor epigenetische veranderingen
- Verplaatsing van TAD-grenzen & verschuiven van A/B-compartimenten
Aanpassing van genexpressie aan mechanische omgeving
ZIEKTEBEELD PROGERIA
= Hutchinson-Gilford Progeria syndroom
- Nucleaire lamines zijn niet normaal gevormd
- Normaal wanneer mensen verouderen krijgt defecten in structuur
o MAAR in kleiner percentage dan bij progeria
- Veel LAD verstoord en worden TADs => Verstoring chromatine structuur
- Nucleaire architectuur geraakt verstoord
- Mutatie in lamine zorgt dat nucleaire membraan van lamines in gedeukte bal is
o Domeinen kunnen niet meer normaal functioneren
o Ipv LAD in TAD terecht komen => gigantische verstoring organisatie
o Versnelde veroudering tot gevolg
- Nucleaire lamines betrokken bij chromosoom- & chromtineorganisatie
- Veroorzaakt door
o Mutatie in LMNA => productie progerine, defect lamin A eiwit
o Progerine accumuleert in nucleaire lamina => nucleaire misvorming, stijve kern & DNA schade
o Chromatine verliest heterochromatine-merkers, LADs verstoord => genexpressie verandert
o Cellulaire veroudering neemt sterk toe (senescentie)
- Klinische gevolgen
o Versnelde veroudering, groeiachterstand & cardiovasculaire problemen
ROL CHROMATINEVERANDERINGEN IN NUCLEAIRE FLUÏDITEIT & FASE-
SCHEIDING
Chromatinestrctuur regelt faseveranderingen in fluïditeit
- Chromatine lusvorming = dynamisch proces
o Lusvorming sterk afhankelijk van eiwitten die DNA strengen bij elkaar houden
- CTCF = isnulator eiwit = eiwit die TAD domeinen zal afbakenen
- Switch tussen complexe van ene bubbel in andere
- Bubbels gevormd in chromatine eiwitten OF door interacties opeenvolgende complexen in DNA
Chromatinestructuur regelt fase veranderingen in trascription factories
- TAD domeinen liggen meer centraal in nucleus
o Meer actief & euchromatine
3
, - LAD domeinen meer in buurt van lamine
o Meer inactief, heterochromatine & vormen bij cirkel gealigneerd nucleaire lamines
Gestructureerd in domeinen
- Elk chromosoom heeft eigen territorium
- Bepaalde chromosomen dichter bij elkaar gelegen
=> interchromosomale contacten maken = chromosoom kissing
- Chromosomen aan nucleaire periferie bevatten minder genen
=> chromosoom territorium bij periferie = genen arm
Chromatineveranderingen beïnvloeden fysische toestand van kern
- Histonmodificaties
o Acetylatie = negatief geladen => open chromatine => meer vloeibaar & dynamisch
o Methylatie => compactie => minder vloeibaar
- Nucleaire vloeibaarheid
o Minder stijve lamine = vloeiendere organisatie => flexibeler genoom
o Meer heterochromatine = stijvere, minder dynamische kern
- Fase-scheiding
o Eiwitten vormen condensaten
o Biomoleculaire druppels organiseren genen in functionele domeinen
o Dynamisch => snelle reorganisatie na stress of signalen
3C-HIC TAD AFBEELDING
Analyse van genoomarchtitectuur via 3C technologie
- Opname getoont met FISH kleuring
- Chromosomen maken contact met elkaar op bepaalde moment
- Kan dynamisch iets veranderen aan orgnaisatie waardoor bepaalde chromosomen
meer of minder gaan samenwerken => gelinkt aan genactiviteit
- 3C technologie = chromosoom capteer technologie
o Kan met microscopie bepalen
o Inzoomen op 1 domein => in domeine lussen bepaalde genoom sequneite
o Kan sequentie bepalen met chromosoom capteer sequentie
o Sterke interacties binnen 1 compartiment maar seq verder gelegen minder signaal
- Vierkanten zijn weergave van contacten tussen sequentis
o Meeste contacten binnen chromosoom met zelfde regios
o Kijken of sequentie reageert met andere sequentie
- Hoe donkerder pixel, hoe meer interactie tss sequentie
3C-chromatine analyse methode voor identificeren van chromosoomcontacten
- 3C = chromosoom conformatie capteer technologie
- 2DNA strengen van ander chromosoom OF zelfde DNA strang 100bp verder gelegen
o Gaan contact maken & cross-linken met formaldehyde
o Gaan knippen dmv restrictie nuclease
o Krijgen DNA ligatie & cross-link wordt verwijderd dmv warmte & proteolyse
o Kan sequentie in kaart brengen
4
Eukaryote genomen = 1000x genoom bacteria
- Eukaryoe genomen bevatten veel regulatorische DNA/RNA
& coderen voor multicellualire ontwikkeling
3D GENOOM ORGANISATIE-NIVEAUS
- Nooit dubbele helix onder microscoop te zien
- Dubbele helix zal verder opvouwen tot nucleosoom
o = magneten die cellen & DNA verder oprollen
- Opvouwing gereguleerd dmv verschillende mechanisme
=> DNA mag niet verstrengeld geraken
- Ontstaan lussen wnr DNA oprolt geregeld dmv bepaalde eiwitten
- Lussen samen verpakt in TAD domeinen
o TAD = topological associated domains
o Combo van genen & genclusters hebben soms gemeenschappelijk doel om bepaalde zaken te
maken
Andere lussen in LAD domeinen
o LAD = lamine associated domain
o Gekoppeld aan lamine membraan nucleus
- In cel verschillende TAD & LAD domeinen = verzameling lussen
- Kunnen territorium voorstellen met actief DNA = euchromatine
Elk celtype & weefsel zal kern moeten organiseren met TAD & LAD domeinen zodat juiste genen in
juiste clusters zitten => in juiste territoria associëren om juiste weefsel te vormen
Dynamisch proces
o Tijdens embryogenese zullen ifv tijd veranderen totdat gedifferentieerde cel gevormd is
Chromosomen kunnen gevisualiseerd worden in territoria
TAD & LAD domeinen
- TAD & LAD domeinen kunnen verschillen in hydrofobiciteit & hydrofiliciteit
- Verantwoordelijk voor bepaalde factoren
o Histonmidificatie kan met methyl & acetyl
Acetyl = negatief geladen => meer in hydrofiele omgeving
Methyl = inerta activiteit => meer richting repressie genen = hydrofobicitiet
o Lipiden kunnen aan histonen gekoppeld worden => worden hydrofoob
Kan cel voorstellen als microdomeinen met vetdruppels & in compartimenten zitten
lussen DNA & chromatine
Verschillende graden van chromatine ‘lus’-densiteit
- Lusvorming treedt op vanaf moment dat chromatine vezels van 30nm gevormd
zijn
- Vezels gaan opvouwen in lussen
o Lussen kunnen regulatorische gebieden in contact brengen
liggen soms 100.000bp uit elkaar
- Gen gereguleerd door seq 100.000 bp verder gelegen
o laat toe om in kaart te brengen welke enhancer seq op grote afstand
de gen activiteit kunnen regelen
1
,HIËRARCHISCHE NIVEAUS
1) chromosoomterritoria
o elk chromosoom in eigen ruimtelijke compartimenten in kern
o euchromatine = actief = centraal gelegen
heterochromatine = inactief = perifeer gelegen
2) compartimenten
o A-compartiment = actief, gen-rijk & open chromatine
o B-chromatine = inactief, compact & vaak aan lamina
o Genexpressie geregeld door wisseling A&B
3) TADs
o Domeinen waarin DAN-regio’s frequent fysiek met elkaar interageren
o Belangrijk voor enhacer-promotor interacties
4) Chromatine loops
o Lussen => vaak gevormd door cohesine & begrens door CTCF
o Reguleren genexpressie door enhacers in contact te brengen met doelgenen
5) Nucleosoom niveau
o DNA gewikkeld rond histonen = basis hogere-orde structuren
ROL NUCLEIARE ORGANISATIE IN 3D GENOOMORGANISATIE
Nucleaire subcompartimentalisatie van actieve genoomdomeinen via lussen
- Lussen kunnen opengevouwen worden voor transcriptie
o Dmv histon modifying enzymen, chromatine remodeling complexen & RNA polymerase
- Actieve genoomdomeinen verzamelen via lussen in transcritpie-domeinen
Verandering in gen expressie afhankelijk van switch nucleaire compartimenten
- Kunnen in bepaalde compartimenten zitten
- 1TAD kan verhuizen van compartiment
o Gebeurd door bepaalde modificaties
o RNA polymerase kan binden => verandering RNA activiteit
Structuur & compartimentalisatie van kern regelen hoe genoom wordt
gevouwen & functioneert
- Nucleaire lamine verankert heterochromatine (LAD) => genrepressie
- Nucleolus huisvest rDNA & trekt omliggende inactieve domeinen aan
- Kernlichamen beïnvloeden RNA-processing & genactiviteit
- Mechanische eigenschappen bepalen hoe chromosomen zich herstructureren
- Ruimtelijke positionering bepaalt hoe toegankelijkheid voor transcriptie, replicatie & reparatie
2
,MECHANISCHE STRESS ZORGT VOOR 3D-GENOOMORGANISATIE
- Deformatie van kern
o Wijzigingen van chromatinelocatie
- Lamina spanning of schaden
o Herschikking van LADs
- Uitrekken van chromatinevezels
o Verhoogde toegankelijkheid & activatie van genen
- Signaaltransductie via mechanosensoren
o Zorgt voor epigenetische veranderingen
- Verplaatsing van TAD-grenzen & verschuiven van A/B-compartimenten
Aanpassing van genexpressie aan mechanische omgeving
ZIEKTEBEELD PROGERIA
= Hutchinson-Gilford Progeria syndroom
- Nucleaire lamines zijn niet normaal gevormd
- Normaal wanneer mensen verouderen krijgt defecten in structuur
o MAAR in kleiner percentage dan bij progeria
- Veel LAD verstoord en worden TADs => Verstoring chromatine structuur
- Nucleaire architectuur geraakt verstoord
- Mutatie in lamine zorgt dat nucleaire membraan van lamines in gedeukte bal is
o Domeinen kunnen niet meer normaal functioneren
o Ipv LAD in TAD terecht komen => gigantische verstoring organisatie
o Versnelde veroudering tot gevolg
- Nucleaire lamines betrokken bij chromosoom- & chromtineorganisatie
- Veroorzaakt door
o Mutatie in LMNA => productie progerine, defect lamin A eiwit
o Progerine accumuleert in nucleaire lamina => nucleaire misvorming, stijve kern & DNA schade
o Chromatine verliest heterochromatine-merkers, LADs verstoord => genexpressie verandert
o Cellulaire veroudering neemt sterk toe (senescentie)
- Klinische gevolgen
o Versnelde veroudering, groeiachterstand & cardiovasculaire problemen
ROL CHROMATINEVERANDERINGEN IN NUCLEAIRE FLUÏDITEIT & FASE-
SCHEIDING
Chromatinestrctuur regelt faseveranderingen in fluïditeit
- Chromatine lusvorming = dynamisch proces
o Lusvorming sterk afhankelijk van eiwitten die DNA strengen bij elkaar houden
- CTCF = isnulator eiwit = eiwit die TAD domeinen zal afbakenen
- Switch tussen complexe van ene bubbel in andere
- Bubbels gevormd in chromatine eiwitten OF door interacties opeenvolgende complexen in DNA
Chromatinestructuur regelt fase veranderingen in trascription factories
- TAD domeinen liggen meer centraal in nucleus
o Meer actief & euchromatine
3
, - LAD domeinen meer in buurt van lamine
o Meer inactief, heterochromatine & vormen bij cirkel gealigneerd nucleaire lamines
Gestructureerd in domeinen
- Elk chromosoom heeft eigen territorium
- Bepaalde chromosomen dichter bij elkaar gelegen
=> interchromosomale contacten maken = chromosoom kissing
- Chromosomen aan nucleaire periferie bevatten minder genen
=> chromosoom territorium bij periferie = genen arm
Chromatineveranderingen beïnvloeden fysische toestand van kern
- Histonmodificaties
o Acetylatie = negatief geladen => open chromatine => meer vloeibaar & dynamisch
o Methylatie => compactie => minder vloeibaar
- Nucleaire vloeibaarheid
o Minder stijve lamine = vloeiendere organisatie => flexibeler genoom
o Meer heterochromatine = stijvere, minder dynamische kern
- Fase-scheiding
o Eiwitten vormen condensaten
o Biomoleculaire druppels organiseren genen in functionele domeinen
o Dynamisch => snelle reorganisatie na stress of signalen
3C-HIC TAD AFBEELDING
Analyse van genoomarchtitectuur via 3C technologie
- Opname getoont met FISH kleuring
- Chromosomen maken contact met elkaar op bepaalde moment
- Kan dynamisch iets veranderen aan orgnaisatie waardoor bepaalde chromosomen
meer of minder gaan samenwerken => gelinkt aan genactiviteit
- 3C technologie = chromosoom capteer technologie
o Kan met microscopie bepalen
o Inzoomen op 1 domein => in domeine lussen bepaalde genoom sequneite
o Kan sequentie bepalen met chromosoom capteer sequentie
o Sterke interacties binnen 1 compartiment maar seq verder gelegen minder signaal
- Vierkanten zijn weergave van contacten tussen sequentis
o Meeste contacten binnen chromosoom met zelfde regios
o Kijken of sequentie reageert met andere sequentie
- Hoe donkerder pixel, hoe meer interactie tss sequentie
3C-chromatine analyse methode voor identificeren van chromosoomcontacten
- 3C = chromosoom conformatie capteer technologie
- 2DNA strengen van ander chromosoom OF zelfde DNA strang 100bp verder gelegen
o Gaan contact maken & cross-linken met formaldehyde
o Gaan knippen dmv restrictie nuclease
o Krijgen DNA ligatie & cross-link wordt verwijderd dmv warmte & proteolyse
o Kan sequentie in kaart brengen
4
