Функциональная роль с-концевых доменов белка msl2 drosophila melanogaster

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Комплекс дозовой компенсации, состоящий из пяти белков и двух некодирующих РНК roX, специфично связывается с Х-хромосомой самцов, обеспечивая более высокий уровень экспрессии генов, что необходимо для компенсации моносомии половой хромосомы у самцов дрозофилы по сравнению с двумя Х-хромосомами самок. Белок MSL2 содержит N-концевой RING-домен, выполняющий роль Е3-лигазы при убиквитинировании белков, и является единственной субъединицей комплекса, которая экспрессируется только у самцов. В работе проведено исследование функциональной роли двух C-концевых доменов белка MSL2, обогащенных пролином (Р-домен) и основными аминокислотами (B-домен). В результате было показано, что В-домен дестабилизирует белок MSL2, что связано с наличием двух лизинов, убиквитинирование которых находится под контролем RING-домена MSL2. Неструктурированный пролин-богатый домен стимулирует транскрипцию гена roХ2, что необходимо для эффективного формирования комплекса дозовой компенсации.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Е. А. Тихонова

ФГБУН Институт биологии гена РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: maksog@mail.ru
Россия, Москва

П. Г. Георгиев

ФГБУН Институт биологии гена РАН

Email: maksog@mail.ru
Россия, Москва

О. Г. Максименко

ФГБУН Институт биологии гена РАН

Email: maksog@mail.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Samata, M., and Akhtar, A. (2018) Dosage compensation of the X chromosome: a complex epigenetic assignment involving chromatin regulators and long noncoding RNAs, Annu. Rev. Biochem., 87, 323-350, https://doi.org/10.1146/annurev-biochem-062917-011816.
  2. Kuroda, M. I., Hilfiker, A., and Lucchesi, J. C. (2016) Dosage compensation in Drosophila – a model for the coordinate regulation of transcription, Genetics, 204, 435-450, https://doi.org/10.1534/genetics.115.185108.
  3. Lucchesi, J. C. (2018) Transcriptional modulation of entire chromosomes: dosage compensation, J. Genet., 97, 357-364.
  4. Straub, T., and Becker, P. B. (2011) Transcription modulation chromosome-wide: universal features and principles of dosage compensation in worms and flies, Curr. Opin. Genet. Dev., 21, 147-153, https://doi.org/10.1016/j.gde. 2011.01.012.
  5. Wu, L., Zee, B. M., Wang, Y., Garcia, B. A., and Dou, Y. (2011) The RING finger protein MSL2 in the MOF complex is an E3 ubiquitin ligase for H2B K34 and is involved in crosstalk with H3 K4 and K79 methylation, Mol. Cell, 43, 132-144, https://doi.org/10.1016/j.molcel.2011.05.015.
  6. Samata, M., Alexiadis, A., Richard, G., Georgiev, P., Nuebler, J., Kulkarni, T., Renschler, G., Basilicata, M. F., Zenk, F. L., Shvedunova, M., Semplicio, G., Mirny, L., Iovino, N., and Akhtar, A. (2020) Intergenerationally maintained histone H4 lysine 16 acetylation is instructive for future gene activation, Cell, 182, 127-144.e23, https://doi.org/ 10.1016/j.cell.2020.05.026.
  7. Zhou, S., Yang, Y., Scott, M. J., Pannuti, A., Fehr, K. C., Eisen, A., Koonin, E. V., Fouts, D. L., Wrightsman, R., Manning, J. E., and Lucchessi, J. C. (1995) Male-specific lethal 2, a dosage compensation gene of Drosophila, undergoes sex-specific regulation and encodes a protein with a RING finger and a metallothionein-like cysteine cluster, EMBO J., 14, 2884-2895.
  8. Villa, R., Forne, I., Muller, M., Imhof, A., Straub, T., and Becker, P. B. (2012) MSL2 combines sensor and effector functions in homeostatic control of the Drosophila dosage compensation machinery, Mol. Cell, 48, 647-654, https:// doi.org/10.1016/j.molcel.2012.09.012.
  9. Schunter, S., Villa, R., Flynn, V., Heidelberger, J. B., Classen, A.-K., Beli, P., and Becker, P. B. (2017) Ubiquitylation of the acetyltransferase MOF in Drosophila melanogaster, PLoS One, 12, e0177408, https://doi.org/10.1371/journal.pone.0177408.
  10. Lyman, L. M., Copps, K., Rastelli, L., Kelley, R. L., and Kuroda, M. I. (1997) Drosophila male-specific lethal-2 protein: structure/function analysis and dependence on MSL-1 for chromosome association, Genetics, 147, 1743-1753.
  11. Hallacli, E., Lipp, M., Georgiev, P., Spielman, C., Cusack, S., Akhtar, A., and Kadlec, J. (2012) Msl1-mediated dimerization of the dosage compensation complex is essential for male X-chromosome regulation in Drosophila, Mol. Cell, 48, 587-600, https://doi.org/10.1016/j.molcel.2012.09.014.
  12. Copps, K., Richman, R., Lyman, L. M., Chang, K. A., Rampersad-Ammons, J., and Kuroda, M. I. (1998) Complex formation by the Drosophila MSL proteins: role of the MSL2 RING finger in protein complex assembly, EMBO J., 17, 5409-5417, https://doi.org/10.1093/emboj/17.18.5409.
  13. Gu, W., Szauter, P., and Lucchesi, J. C. (1998) Targeting of MOF, a putative histone acetyl transferase, to the X chromosome of Drosophila melanogaster, Dev. Genet., 22, 56-64, https://doi.org/10.1002/(SICI)1520-6408(1998)22:1<56:: AID-DVG6>3.0. CO;2-6.
  14. Kadlec, J., Hallacli, E., Lipp, M., Holz, H., Sanchez-Weatherby, J., Cusack, S., and Akhtar, A. (2011) Structural basis for MOF and MSL3 recruitment into the dosage compensation complex by MSL1, Nat. Struct. Mol. Biol., 18, 142-149, https://doi.org/10.1038/nsmb.1960.
  15. Scott, M. J., Pan, L. L., Cleland, S. B., Knox, A. L., and Heinrich, J. (2000) MSL1 plays a central role in assembly of the MSL complex, essential for dosage compensation in Drosophila, EMBO J., 19, 144-155, https://doi.org/10.1093/emboj/19.1.144.
  16. Lee, C. G., Chang, K. A., Kuroda, M. I., and Hurwitz, J. (1997) The NTPase/helicase activities of Drosophila maleless, an essential factor in dosage compensation, EMBO J., 16, 2671-2681, https://doi.org/10.1093/emboj/16.10.2671.
  17. Ilik, I. A., Quinn, J. J., Georgiev, P., Tavares-Cadete, F., Maticzka, D., Toscano, S., Wan, Y., Spitale, R. C., Luscombe, N., Backofen, R., Chang, H. Y., and Akhtar, A. (2013) Tandem stem-loops in roX RNAs act together to mediate X chromosome dosage compensation in Drosophila, Mol. Cell, 51, 156-173, https://doi.org/10.1016/j.molcel.2013.07.001.
  18. Maenner, S., Muller, M., Frohlich, J., Langer, D., and Becker, P. B. (2013) ATP-dependent roX RNA remodeling by the helicase maleless enables specific association of MSL proteins, Mol. Cell, 51, 174-184, https://doi.org/10.1016/ j.molcel.2013.06.011.
  19. Fauth, T., Muller-Planitz, F., Konig, C., Straub, T., and Becker, P. B. (2010) The DNA binding CXC domain of MSL2 is required for faithful targeting the dosage compensation complex to the X chromosome, Nucleic Acids Res., 38, 3209-3221, https://doi.org/10.1093/nar/gkq026.
  20. Zheng, S., Villa, R., Wang, J., Feng, Y., Becker, P. B., and Ye, K. (2014) Structural basis of X chromosome DNA recognition by the MSL2 CXC domain during Drosophila dosage compensation, Genes Dev., 28, 2652-2662, https:// doi.org/10.1101/gad. 250936.114.
  21. Alekseyenko, A. A., Peng, S., Larschan, E., Gorchakov, A. A., Lee, O. K., Kharchenko, P., McGrath, S. D., Wang, C. I., Mardis, E. R., Park, P. J., and Kuroda, M. I. (2008) A sequence motif within chromatin entry sites directs MSL establishment on the Drosophila X chromosome, Cell, 134, 599-609, https://doi.org/10.1016/j.cell.2008.06.033.
  22. Straub, T., Grimaud, C., Gilfillan, G. D., Mitterweger, A., and Becker, P. B. (2008) The chromosomal high-affinity binding sites for the Drosophila dosage compensation complex, PLoS Genet., 4, e1000302, https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1000302.
  23. Villa, R., Schauer, T., Smialowski, P., Straub, T., and Becker, P. B. (2016) PionX sites mark the X chromosome for dosage compensation, Nature, 537, 244-248, https://doi.org/10.1038/nature19338.
  24. Soruco, M. M., Chery, J., Bishop, E. P., Siggers, T., Tolstorukov, M. Y., Leydon, A. R., Sugden, A. U., Goebel, K., Feng, J., Xia, P., Vedenko, A., Bulyk, M. L., Park, P. J., and Larschan, E. (2013) The CLAMP protein links the MSL complex to the X chromosome during Drosophila dosage compensation, Genes Dev., 27, 1551-1556, https://doi.org/10.1101/gad.214585.113.
  25. Tikhonova, E., Fedotova, A., Bonchuk, A., Mogila, V., Larschan, E. N., Georgiev, P., and Maksimenko, O. (2019) The simultaneous interaction of MSL2 with CLAMP and DNA provides redundancy in the initiation of dosage compensation in Drosophila males, Development, 146, https://doi.org/10.1242/dev.179663.
  26. Tikhonova, E., Mariasina, S., Efimov, S., Polshakov, V., Maksimenko, O., Georgiev, P., and Bonchuk, A. (2022) Structural basis for interaction between CLAMP and MSL2 proteins involved in the specific recruitment of the dosage compensation complex in Drosophila, Nucleic Acids Res., 50, 6521-6531, https://doi.org/10.1093/nar/gkac455.
  27. Albig, C., Tikhonova, E., Krause, S., Maksimenko, O., Regnard, C., and Becker, P. B. (2019) Factor cooperation for chromosome discrimination in Drosophila, Nucleic Acids Res., 47, 1706-1724, https://doi.org/10.1093/nar/gky1238.
  28. Tikhonova, E., Mariasina, S., Arkova, O., Maksimenko, O., Georgiev, P., and Bonchuk, A. (2022) Dimerization activity of a disordered N-terminal domain from Drosophila CLAMP protein, IJMS, 23, 3862, https://doi.org/10.3390/ijms23073862.
  29. Jordan, W., and Larschan, E. (2021) The zinc finger protein CLAMP promotes long-range chromatin interactions that mediate dosage compensation of the Drosophila male X-chromosome, Epigenet. Chromatin, 14, 29, https:// doi.org/10.1186/s13072-021-00399-3.
  30. Li, F., Schiemann, A. H., and Scott, M. J. (2008) Incorporation of the noncoding roX RNAs alters the chromatin-binding specificity of the Drosophila MSL1/MSL2 complex, Mol. Cell. Biol., 28, 1252-1264, https://doi.org/10.1128/MCB.00910-07.
  31. Bischof, J., Maeda, R. K., Hediger, M., Karch, F., and Basler, K. (2007) An optimized transgenesis system for Drosophila using germ-line-specific phiC31 integrases, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 104, 3312-7, https://doi.org/10.1073/pnas.0611511104.
  32. Murawska, M., and Brehm, A. (2012) Immunostaining of Drosophila polytene chromosomes to investigate recruitment of chromatin-binding proteins, Methods Mol. Biol., 809, 267-77, https://doi.org/10.1007/978-1-61779-376-9_18.
  33. Maksimenko, O., Bartkuhn, M., Stakhov, V., Herold, M., Zolotarev, N., Jox, T., Buxa, M. K., Kirsch, R., Bonchuk, A., Fedotova, A., Kyrchanova, O., Renkawitz, R., and Georgiev, P. (2015) Two new insulator proteins, Pita and ZIPIC, target CP190 to chromatin, Genome Res., 25, 89-99, https://doi.org/10.1101/gr.174169.114.
  34. Zolotarev, N., Maksimenko, O., Kyrchanova, O., Sokolinskaya, E., Osadchiy, I., Girardot, C., Bonchuk, A., Ciglar, L., Furlong, E. E. M., and Georgiev, P. (2017) Opbp is a new architectural/insulator protein required for ribosomal gene expression, Nucleic Acids Res., 45, 12285-12300, https://doi.org/10.1093/nar/gkx840.
  35. Muller, M., Schauer, T., Krause, S., Villa, R., Thomae, A. W., and Becker, P. B. (2020) Two-step mechanism for selective incorporation of lncRNA into a chromatin modifier, Nucleic Acids Res., 48, 7483-7501, https://doi.org/10.1093/ nar/gkaa492.
  36. Valsecchi, C. I. K., Basilicata, M. F., Georgiev, P., Gaub, A., Seyfferth, J., Kulkarni, T., Panhale, A., Semplicio, G., Manjunath, V., Holz, H., Dasmeh, P., and Akhtar, A. (2021) RNA nucleation by MSL2 induces selective X chromosome compartmentalization, Nature, 589, 137-142, https://doi.org/10.1038/s41586-020-2935-z.
  37. Villa, R., Jagtap, P. K. A., Thomae, A. W., Campos Sparr, A., Forne, I., Hennig, J., Straub, T., and Becker, P. B. (2021) Divergent evolution toward sex chromosome-specific gene regulation in Drosophila, Genes Dev., https://doi.org/ 10.1101/gad.348411.121.
  38. Kelley, R. L., Solovyeva, I., Lyman, L. M., Richman, R., Solovyev, V., and Kuroda, M. I. (1995) Expression of msl-2 causes assembly of dosage compensation regulators on the X chromosomes and female lethality in Drosophila, Cell, 81, 867-877, https://doi.org/10.1016/0092-8674(95)90007-1.
  39. Kelley, R. L., Wang, J., Bell, L., and Kuroda, M. I. (1997) Sex lethal controls dosage compensation in Drosophila by a non-splicing mechanism, Nature, 387, 195-9, https://doi.org/10.1038/387195a0.
  40. Bashaw, G. J., and Baker, B. S. (1997) The regulation of the Drosophila gene reveals a function for in translational control, Cell, 89, 789-798, https://doi.org/10.1016/S0092-8674(00)80262-7.
  41. Meller, V. H., and Rattner, B. P. (2002) The roX genes encode redundant male-specific lethal transcripts required for targeting of the MSL complex, EMBO J., 21, 1084-1091, https://doi.org/10.1093/emboj/21.5.1084.
  42. Li, F., Parry, D. A., and Scott, M. J. (2005) The amino-terminal region of Drosophila MSL1 contains basic, glycine-rich, and leucine zipper-like motifs that promote X chromosome binding, self-association, and MSL2 binding, respectively, Mol. Cell. Biol., 25, 8913-8924, https://doi.org/10.1128/MCB.25.20.8913-8924.2005.
  43. Demakova, O. V., Kotlikova, I. V., Gordadze, P. R., Alekseyenko, A. A., Kuroda, M. I., and Zhimulev, I. F. (2003) The MSL complex levels are critical for its correct targeting to the chromosomes in Drosophila melanogaster, Chromosoma, 112, 103-115, https://doi.org/10.1007/s00412-003-0249-1.
  44. Palmer, M. J., Richman, R., Richter, L., and Kuroda, M. I. (1994) Sex-specific regulation of the male-specific lethal-1 dosage compensation gene in Drosophila, Genes Dev., 8, 698-706, https://doi.org/10.1101/gad.8.6.698.
  45. Meller, V. H., Wu, K. H., Roman, G., Kuroda, M. I., and Davis, R. L. (1997) roX1 RNA paints the X chromosome of male Drosophila and is regulated by the dosage compensation system, Cell, 88, 445-457.
  46. Rattner, B. P., and Meller, V. H. (2004) Drosophila male-specific lethal 2 protein controls sex-specific expression of the roX genes, Genetics, 166, 1825-32.
  47. Bai, X., Alekseyenko, A. A., and Kuroda, M. I. (2004) Sequence-specific targeting of MSL complex regulates transcription of the roX RNA genes, EMBO J., 23, 2853-61, https://doi.org/10.1038/sj.emboj.7600299.
  48. Urban, J., Kuzu, G., Bowman, S., Scruggs, B., Henriques, T., Kingston, R., Adelman, K., Tolstorukov, M., and Larschan, E. (2017) Enhanced chromatin accessibility of the dosage compensated Drosophila male X-chromosome requires the CLAMP zinc finger protein, PLoS One, 12, e0186855, https://doi.org/10.1371/journal.pone.0186855.
  49. Valsecchi, C. I. K., Basilicata, M. F., Semplicio, G., Georgiev, P., Gutierrez, N. M., and Akhtar, A. (2018) Facultative dosage compensation of developmental genes on autosomes in Drosophila and mouse embryonic stem cells, Nat. Commun., 9, 3626, https://doi.org/10.1038/s41467-018-05642-2.
  50. Chlamydas, S., Holz, H., Samata, M., Chelmicki, T., Georgiev, P., Pelechano, V., Dundar, F., Dasmeh, P., Mittler, G., Cadete, F. T., Ramírez, F., Conrad, T., Wei, W., Raja, S., Manke, T., Luscombe, N. M., Steinmetz, L. M., and Akhtar, A. (2016) Functional interplay between MSL1 and CDK7 controls RNA polymerase II Ser5 phosphorylation, Nat. Struct. Mol. Biol., 23, 580-589, https://doi.org/10.1038/nsmb.3233.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Структурная организация белка MSL2. а – Схема белка MSL2. Показаны основные домены: RING, CXC, CLAMP-взаимодействующий, Р и В. б – Выравнивание (Clustal Omega) последовательности C-концевой части белка MSL2 у хорошо исследованных видов Drosophilidae. Р-Домен выделен оранжевой рамкой, В-домен – зеленой

Скачать (522KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Получение трансгенных линий, экспрессирующих мутантные белки MSL2. а – Схема используемого экспрессирующего вектора. Показаны промотор и 5′-НТО гена Ubiquitin-63E, последний интрон, 3′-НТО и сигнал полиаденилирования (полиА) гена dctcf, а также сигнал полиаденилирования из вируса SV40. Под схемой вектора представлены варианты MSL2, штрих-линиями указаны места вносимых делеций. б – Иммуноблот-анализ белковых экстрактов, полученных из взрослых мух, экспрессирующих различные варианты MSL2, тагированные FLAG-эпитопом (WT, ΔP, ΔB). Иммуноблот-анализ проводили с использованием антител, специфично узнающих FLAG и GAF (контроль нанесения материала). в – Сравнение экспрессии в S2-клетках белков MSL2WT-FLAG, MSL2ΔRING-FLAG и MSL2ΔB-FLAG. Иммуноблот-анализ проводили с использованием антител, специфично узнающих FLAG и ламин (контроль нанесения материала). г – Сравнение жизнеспособности (в относительных единицах) взрослых самцов msl2γ227/msl2γ227, в которых были экспрессированы варианты MSL2-3хFLAG (WT, ΔP, ΔB). Соотношение самцов msl2γ227/CyO, экспрессирующих варианты MSL2, использовали в качестве внутреннего контроля, демонстрирующего нормальную жизнеспособность. Отношение взрослых самцов линии y1w1118; +/+ к самцам y1w1118; +/CyO использовали как показатель выживаемости линии дикого типа. На гистограмме показаны средние значения со стандартными отклонениями, полученными по результатам трех независимых экспериментов; * p-value < 0,05. д – Жизнеспособность (в относительных единицах) самок, гомозиготных по трансгену, по отношению к взрослым самцам, экспрессирующим варианты MSL2. На гистограмме показаны средние значения со стандартными отклонениями, полученными по результатам трех независимых экспериментов; ** p-value < 0,01

Скачать (432KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Анализ связывания КДК с хроматином в трансгенных линиях мух. а – Сравнение связывания MSL1 и MSL2 c политенными хромосомами личинок самцов msl2γ227, экспрессирующих различные варианты MSL2 (MSL2WT, MSL2ΔP). б – Сравнение связывания MSL1 и MSL2 c политенными хромосомами личинок самок, гетерозиготных по трансгену, экспрессирующему один из вариантов MSL2 (MSL2WT, MSL2ΔP, MSL2ΔB). На фотографиях показано иммунное окрашивание с мышиными анти-FLAG-антителами (MSL2, зеленый) и кроличьими анти-MSL1-антителами (красный). Окрашивание ДНК – DAPI (синий). в – Сравнение распределения белка MSL2 вдоль политенной Х-хромосомы у самок, гетерозиготных по трансгену, экспрессирующему один из вариантов MSL2 (MSL2WT, MSL2ΔP). Показаны по два независимых окрашивания; окрашивание MSL2 – мышиные анти-FLAG-антитела (красный), ДНК – DAPI (синий). г – Сравнение связывания белков MSL1, MSL2 и CLAMP на СПП у самцов, экспрессирующих варианты MSL2 (WT и ΔP) на фоне msl2γ227. Красными буквами отмечены участки, с которыми MSL2 способен связываться напрямую, согласно данным Villa et al. [23]. Результаты представлены в процентах обогащения ДНК после иммунопреципитации к исходной ДНК (% от исходного материала), нормированных относительно соответствующих положительных контрольных участков связывания MSL1 (26E3), MSL2 (25A3) и CLAMP (39A1) на аутосомах. На гистограммах показано сравнение уровня связывания белка MSL2ΔP с уровнем связывания MSL2WT (на шкале приведен к «1»). Усы показывают стандартные отклонения для трех независимых экспериментов; * p < 0,05

Скачать (2MB)
Метаданные
5. Рис. 4. Сравнение roX1 и roX2 у самок, экспрессирующих MSL2WT, MSL2ΔP, MSL2ΔB. а – Сравнение связывания белков MSL1, MSL2, CLAMP в линиях, экспрессирующих MSL2WT, MSL2ΔB MSL2ΔP, в районах генов roX1 и roX2; * p < 0,05; ** p < 0,01. б – Уровни экспрессии РНК roX1 и roX2 в личинках самцов и самок мух линии y1w1118 (дикого типа) и мух, экспрессирующих MSL2WT, MSL2ΔP, MSL2ΔB, на фоне нуль-мутации msl2γ227. Гистограммы показывают изменение уровня мРНК тестируемых генов roX в линиях, экспрессирующих MSL2WT, MSL2ΔP, MSL2ΔB, по сравнению с уровнем экспрессии у самцов линии y1w1118 (соответствует отметке «1» на шкале). Усы показывают стандартные отклонения по трем независимым измерениям; * p < 0,05

Скачать (457KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024