Purificazione della cromatina del locus genico a copia singola in Saccharomyces cerevisiae

L’organizzazione dinamica dei genomi eucariotici in cromatina compatta il DNA per adattarsi ai confini del nucleo, garantendo al contempo una dinamica sufficiente per l’espressione genica e l’accessibilità per i fattori regolatori. In parte, questa versatilità è mediata dal nucleosoma, l’unità di base della cromatina, che comprende una particella centrale con 147 bp di DNA avvolto ~1,7 volte attorno all’ottamero^{istonico 1}. Il nucleosoma è una struttura altamente dinamica per quanto riguarda la sua composizione, con numerose varianti istoniche e modificazioni post-traduzionali (PTM) sulle code istoniche N- e C-terminali. Inoltre, la cromatina eucariotica interagisce con una moltitudine di altri componenti essenziali, come i fattori di trascrizione, i macchinari per l’elaborazione del DNA e dell’RNA, le proteine architettoniche, gli enzimi coinvolti nel rimodellamento e nella modifica della cromatina e le molecole di RNA associate alla cromatina. Questi macchinari cruciali coinvolti nella trascrizione, nella replicazione e nella riparazione richiedono tutti l’accesso alla cromatina, che funge da substrato naturale per questi processi. Di conseguenza, la comprensione dei meccanismi molecolari alla base di queste transazioni del DNA richiede una definizione precisa delle alterazioni collettive nella struttura della cromatina nelle specifiche regioni genomiche in cui questi meccanismi convergono e facilitano le reazioni biologiche.

Nonostante l’identificazione di numerosi fattori della cromatina attraverso la genetica e gli studi di interazione proteina-proteina, l’esecuzione di analisi dirette, imparziali e complete delle interazioni della cromatina in particolari siti genomici è rimasta un ostacolo significativo ^2,3. Inizialmente, solo regioni altamente abbondanti del genoma (cioè loci ripetitivi) o plasmidi multi-copia potevano essere isolati in quantità e purezza sufficienti per l’identificazione spettrometrica di massa delle proteine associate 4,5,6,7. Una serie di nuovi approcci basati sull’ibridazione diretta di sonde di cattura con DNA cromatinizzato, sulla biotinilazione di prossimità utilizzando il sistema CRISPR-dCas9 o sul legame di proteine adattatrici sequenza-specifiche al locus di interesse hanno iniziato a svelare il proteoma di loci a singola copia da genomi di lieviti e mammiferi ^8,9,10. Tuttavia, tutti questi metodi richiedono la reticolazione della formaldeide per stabilizzare le interazioni proteina-DNA e la sonicazione per solubilizzare la cromatina per la successiva purificazione. Insieme, entrambe le manipolazioni escludono la possibilità di successivi studi strutturali e funzionali della cromatina purificata.

Per superare queste limitazioni, abbiamo precedentemente ideato una metodologia che impiega la ricombinazione sito-specifica per estrarre domini cromosomici mirati dal lievito^11,12. In sostanza, la regione genomica di interesse è circondata da siti di riconoscimento (RS) per la R-ricombinasi sito-specifica di Zygosaccharomyces rouxi, incorporando contemporaneamente un gruppo di tre siti di legame al DNA per la proteina LexA repressore trascrizionale procariotica (LexA) all’interno della stessa regione. Le cellule di lievito contengono una cassetta di espressione per l’espressione simultanea di R-ricombinasi e una proteina LexA fusa a un tag di purificazione di affinità tandem (TAP). Dopo l’induzione della R-ricombinasi, l’enzima asporta in modo efficiente la regione bersaglio dal cromosoma sotto forma di un dominio cromatinico circolare. Questo dominio può essere purificato tramite la proteina adattatore LexA-TAP, che si lega ai siti di legame del DNA LexA, nonché a un supporto di affinità. Questo metodo è stato recentemente utilizzato per isolare domini cromatinici distinti contenenti origini di replicazione selezionate del cromosoma III¹³ del lievito.

Uno dei principali vantaggi di questo approccio ex vivo è che consente analisi funzionali del materiale isolato. Ad esempio, i domini di origine della replicazione purificati con questo metodo possono essere sottoposti a saggi di replicazione in vitro per valutare l’efficienza della cottura dell’origine in una provetta da modelli di cromatina assemblati nativi in vivo . In definitiva, la caratterizzazione biochimica e funzionale del materiale isolato può consentire la ricostituzione di processi nucleari utilizzando proteine purificate insieme al modello di cromatina nativa. In sintesi, questa metodologia apre una strada entusiasmante nella ricerca sulla cromatina, in quanto sarà possibile seguire i cambiamenti compositivi e strutturali della cromatina collettiva di una specifica regione genomica che subisce una certa transazione cromosomica.