Ação do colesterol sobre a arquitetura da cromatina : docking molecular do colesterol ao nucleossomo

Abstract

A cromatina é essencial para manutenção da fisiologia celular por desempenhar papel-chave na regulação da transcrição, reparo e replicação do DNA. Para tanto, esta deve ser altamente dinâmica, permitindo alterações entre estados compactados e relaxados. O primeiro nível de compactação da cromatina é o nucleossomo, formado pelo DNA e um octâmero de histonas. Moléculas que se ligam ao nucleossomo tem potencial para modular a cromatina. Diversas evidências apontam para o colesterol, lipídio importante para o funcionamento basal das células, como uma molécula ligante de cromatina. Recentemente, foi demonstrado que o colesterol pode modular a estrutura das fibras de cromatina reconstituídas in vitro. Juntos, estes dados sugerem que o colesterol possui um efeito modulador da arquitetura da cromatina por se ligar diretamente ao nucleossomo. Entretanto, os detalhes moleculares da ação do colesterol sobre a estrutura da cromatina ainda não foram esclarecidos. O objetivo deste estudo foi investigar, in silico, a ligação do colesterol ao nucleossomo e observar seu impacto ao nível atômico. Logo, metodologias capazes de tratar interações moleculares com resolução atomística são fundamentais, como a dinâmica molecular (DM) e docking molecular. Aqui identificamos vários sítios de ligação do colesterol distribuídos pelo nucleossomo. Após 200 ns de DM, seis moléculas de colesterol amostradas permaneceram ligadas ao nucleossomo. Para cada sítio investigado, a energia livre de ligação, estimada pelo método LIE (Linear Interactions Energy), indica o favorecimento do complexo entre o colesterol e o nucleossomo. Foi observado um impacto nas flutuações atômicas de vários aminoácidos formadores dos sítios de ligação. Dentre estes, alguns são conhecidamente importantes para modulação da estrutura da cromatina. Além disso, houve redução significativa do número de moléculas de água nas interfaces de interação colesterol-nucleossomo, especialmente em regiões hidrofóbicas essenciais para a manutenção estrutural do nucleossomo. Esses resultados sugerem que o colesterol pode afetar a arquitetura da cromatina através da interação direta com o nucleossomo nos múltiplos sítios de ligação. _______________________________________________________________________________________________ ABSTRACT

Chromatin is essential for maintenance of cell physiology playing a key role in transcription regulation, DNA repair and replication. Therefore, it must be highly dynamic, allowing changes between compacted and relaxed states. The first level of chromatin compaction is the nucleosome, formed by DNA and histone octamer. Molecules that bind to the nucleosome have the potential to modulate chromatin. Several evidences indicate that cholesterol, important lipid for cell function, may bind to chromatin. Recently, it was demonstrated that in vitro cholesterol may modulate the structure of reconstituted chromatin fibers. Together, these data suggest that cholesterol may modulate chromatin architecture by direct binding to the nucleosome. However, the molecular details of cholesterol’s action on chromatin structure remain unclear. The aim of this study was an in silico investigation of the cholesterol binding to the nucleosome and its impact at the atomic level. Therefore, methodologies capable of handling molecular interactions with atomistic resolution are critical, such as molecular dynamics (MD) and molecular docking. Here, we identified several cholesterol binding sites distributed over the nucleosome. After 200 ns of MD, six sampled cholesterol molecules remained bound to the nucleosome. For every site, the estimated absolute free energies obtained by the LIE method, favour cholesterol binding thus explaining the stability of the molecular complex. Cholesterol impacts the atomic fluctuations of several amino acids forming the binding sites. Among these, some are well-known to modulate the chromatin structure. Furthermore, a significant reduction in the number of water molecules in cholesterol-nucleosome interfaces was observed, especially at key hydrophobic regions for nucleosome structural maintenance. These results suggest that cholesterol may affect the chromatin's architecture via direct interaction with the nucleosome through multiple binding sites.