A combined computational study of the structure and binding of the histone H3 N-terminal domain in the nucleosome

Abstract

English: The histone tails have for decades been regarded as unstructured polypeptide chains which simply served as molecular beacons to protein effectors which modify chromatin. However some experimental evidence shows that the tails may contain structure. Thus we conducted a Molecular Dynamics study of the Histone H3 tail and it’s most important post translationally modified isoforms. The 500 ns experiments showed the evolution of different secondary structure conformations for the different modified isoforms. More interestingly the active isoform showed a statistically significant longer reach compared to the inactive isoform. We next conducted a molecular docking study of the 15 – residue tip of the H3 tail to the nucleosome surface. The starting structures were sampled from the Molecular Dynamics trajectories. The tips showed binding to nucleosome where the H3 tail exits the nucleosome, between the DNA and the octamer. This binding position did not cha nge between the different isoforms. We thus propose a molecular mechanism whereby chromatin compaction is carried out at a nucleosome level, and is regulated by transitions in the N-terminal H3 tail structures, which, in turn, are modulated by specific epigenetic PTM patterns.

Afrikaans: Die histoon sterte is al vir die afgelope paar dekades beskou as ongestruktueerde polipeptied kettings wat slegs dien as molekulêre bakens vir proteïen effektore wat verandering in chromatien bewerkstellig. Dit was egter deur CD experimente getoon dat die histoon sterte wel ‘n struktuele bydrae maak tot CD spektra van die nukleosoom. Molekulêre Dinamika (MD) studies het ook getoon dat die sterte ‘n struktuele komponent het. Dus het ons besluit om ‘n in silco studie van die histoon H3 N-terminale stert met van sy chemiese modifikasies te onderneem. Met hierdie doel voor oë het ons rekenaar sagteware ontwikkel om ‘n hoë hoeveelheid data te stoor en te analiseer. Gevolglik het ons Python (www.python.org) geskrewe sagteware onwikkel om die rou data wat deur die MD program YASARA gegenereer is te ontgin en na die databasis simDB aan te stuur, wat gevolglik die stoor van hierdie data behartig het. SimDB was ook inhuis ontwikkel. Omdat proteïen – proteïen dokking nog ‘n ontwikkelende veld is, wou ons die geskiktheid van ons dokkings benadering vas te stel. Dus het ons die YASARA geimplementeerde AutoDock sagteware getoets met die klein haarnaald peptied van KSHV LANA, wat eksperimenteel bewys was om op die oppervlak van die nukleosoom te bind. Ons het gevind dat dokking met ‘n rigiede ligand die akkuraatste benadering was omdat hierdie benadering die KSHV – LANA peptied op die nukleosoom oppervlak op so ‘n manier kon dok dat dit ononderskeibaar was van die oorspronklike kristal struktuur. Ons het ook ‘n nuwe dokking protokol geskep om na groot reseptore soos die nukleosoom te kan dok. Hierdie protokol behels basies die skeiding van die soek ruimte in kleiner, oorvleuelende soek ruimtes sodat onafhanklike dokking in elkeen van hierdie soek ruimtes uitgevoer kan word. Hierdie benadering verhoog gevolglik die dekking en akkuraatheid van die dokking. Hierna het ons MD simulasies uitgevoer op 11 histoon H3 sterte (38 residue in lengte) met verskillende modifikasies vir ‘n tydperk van 500 ns elk. Ons het gevind dat die ongemodifiseerde stert twee α – helikse gestabiliseer het, ineenstemming met CD eksperimentele werk, ander MD studies en sekondêre struktuur voorspelling algoritmes. Die eerste α – heliks was naby aan die Nterminale punt van die struktuur gevind en die tweede α – heliks was meer na die middel van die struktuur gevind. Ons het gevolglik gewys dat sterte met geassetieleerde lisien residue, wat met geneties aktiewe gebiede verbind word, ‘n algemene tekort aan α – heliks inhoud getoon het. In vergelyking het die modifikasies, wat met geneties onaktiewe gebied verbind word, ‘n toename in α – heliks inhoud getoon. Hierna het ons drie 15 – residu H3 stert strukture van elk van die MD bane gedok na die nukleosoom met ons nuwe dokkings protokol.Ons het bevind dat die ongemodifiseerde stert en die K9 gemetieleerde (sonder fosforilering) sterte lateraal and die nukleosoom gebind het tussen die ingangs – en uitgangs punte van die H3 and H2B sterte: tussen die DNA en die histoon oktamer en tussen die twee DNA draaie. Die strukture van die ander bane het lae tot negatiewe bindings energie waardes opgelewer, alhoewel die strukture op dieselfde posisie gebind het as die top dokkings strukture. Dus het die gefosforileerde serien en die geassetieleerde lisien residue in hierdie sterte die binding in hierdie spesifieke gebied minder gunstig gemaak. Ons het ‘n molekulêre meganisme voorgestel waar chromatien kompaksie uitgevoer word op ‘n nukleosoom vlak en gereguleer word deur oorgang tussen die verskillende N-terminale H3 stert strukure, wat op hul beurt deur spesifieke epigenetiese modifkasie patrone gemoduleer word.