General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences)
40 %
Ortelius classification: Molecular biology
Cell genetics (Council of Medical and Biological Sciences)
40 %
Cancer and its biological basis (Council of Medical and Biological Sciences)
20 %
Ortelius classification: Oncology
Panel
Molecular and Structural Biology and Biochemistry
Department or equivalent
Department of Biophysics and Cell Biology (University of Debrecen)
Participants
Bacsó, Zsolt Fenyőfalvi, György Goda, Katalin Imre, László Székvölgyi, Lóránt
Starting date
2008-09-01
Closing date
2013-08-31
Funding (in million HUF)
38.565
FTE (full time equivalent)
10.27
state
closed project
Summary in Hungarian
A 30-150 kb méretű DNS régiókat formáló hurkok a kromatin szerkezeti hierarchiájának izgalmas, feltáratlan szintjét alkotják. Nemrég közölt adataink alapján (Szekvolgyi et al.: Ribonucleoprotein-masked nicks at 50-kbp intervals in the eukaryotic genomic DNA. PNAS, in press) feltételezzük, hogy azokat egyszál-folytonossághiányok, nick-ek határolják. Field inversion gélelektroforézis és comet-assay kombinációjával ~50 kb-os átlagos méretű DNS szakaszokat magában foglaló granulumok figyelhetők meg, emlős és S. cerevisiae sejtek esetén egyaránt. A hasadási pontokat in situ DNA polimerázzal jelölni lehet, de Klenow enzimmel vagy terminális transzferázal csak RNáz előkezelés után: ekkor, ill. RNS/DNS-hibrid specifikus antitesttel történő festéssel szintén a hurkok átlag méretének megfelelő punktált mintázat tehető láthatóvá. Egy ~500 kb hosszúságú szondával FISH kísérleteket végezve megállapítottuk, hogy a szomatikus rekombinációs forrópont, az MLL bcr diszkrét módon fragmentálódik a halo képződés során, hurok-méretű szakaszokat formálva. Jelen munkatervben ezen, a magasabbrendú kromatinszerkezetre jellemző struktúrális sajátosság további vizsgálatához pályázunk kutatási támogatásért. (1) Azonosítani kívánjuk a nick-ek létrehozásában/fenntartásában/maszkírozásában szerepet játszó molekulákat, (2) vizsgálni a folytonossághiányokhoz való viszonyukat, (3) a folytonossághiányok genomi eloszlásának esetleges szabályszerűségeit, (3) a folytonossághiányok kapcsolatát a transzkripcióval, (4) a replikációval és (5) egyes patológiás génátrendeződési folyamatokkal.
Summary
The chromatin loops comprising 30-150 kb DNA regions represent an exciting, enigmatic structural entity among the hierarchic levels of chromatin organization. According to our previous and recently published data (see Szekvolgyi et al.: Ribonucleoprotein-masked nicks at 50-kbp intervals in the eukaryotic genomic DNA. PNAS, in press) we propose that loop-size regions are delimited by single-strand discontinuities, nicks. Using a combination of field inversion gelelectrophoresis and comet-assay, chromatin granules can be observed containing ~50 kb of genomic DNA, in mammalian cells and S. cerevisiae. The discontinuities can be labeled by in situ nick-translation using DNA poymerase, but much less with Klenow enzyme or terminal transferase unless after ribonucleolytic pretreatment. Similar, punctate labeling is observed by staining of the halos with an anti-DNA/RNA hybrid specific antibody. Using a ~500 kb long probe specific for the somatic recombination hot-spot MLL bcr in FISH experiments, this region appears to disassemble into discrete fragments upon halo formation. The present grant application summarizes our work programme to further analyze the above, novel structural features of higher order chromatin organization. (1) We plan to identify the molecules involved in the formation/maintenance/masking the nicks, (2) to investigate the relationship between the discontinuities and the masking macromolecules, (3) to study the distribution of the discontinuities along the chromosomal DNA, to analyze (4) the relationships between the incidence of discontinuities and transcription, (4) repication and (5) certain patghological gene rearrangements.
Final report
Results in Hungarian
Jelenlegi elképzelésünk a lineáris kromatin fonál magasabbrendű szerveződése és a magszerkezet viszonyáról egyedi lókuszokról szerzett adatokra épülnek, nem a teljes kromatin állomány globális viselkedésének vizsgálatára. Kimutattuk, hogy egy RNS/DNS-hibridekre specifikus antitest a transzkripció függő módon keletkező ilyen struktúrákat, az un. R-loop-okat jelöli, mely helyek egyszál folytonossághiányok detektálásására alkalmas módszerekkel is lokalizálhatók. Az R-loop-ok a gének promóter és terminátor régióin halmozódnak, mind élesztő, mind emberi sejtekben. Ezen struktúrák jellemzően a sejtmag perifériáján, a nukleáris lamina alatt láthatók mikroszkópos felvételen. Közöttük a kromatin hurkok szupertekercselt állapotúak, mint az ún. nukleáris halo-preparátumokon ez jól kimutatható. Tehát az R-loop-okat tartalmazó struktúrák a hurkok bona fide kihorgonyzódási pontjainak felelnek meg. Mind a replikáció, mind a transzkripció során a nukleotida beépülés ezeken a helyeken zajlik. Ezen megfigyelések a magstruktúra egyik alapvető szerveződési elvét látszanak felfedni: a hurkokat kialakító gének két vége a nukleáris mátrixhoz, vagyis az azzal valószínűleg azonos, vagy vele összefüggő nukleáris laminához kötődik.
Results in English
Our present view of how the linear chromatin structure and nuclear architecture are coupled to each-other to form the higher-order levels of the structural hierarchy thought to characterize overall chromatin structure is based on data obtained for particular loci rather than on approaches interrogating the global genome. We have shown that genomic sites enriched in transcription dependent R-loops are specifically recognized both by an RNA/DNA-specific antibody and also by nick-labeling at these sites. R-loops are enriched at the promoters and terminator sequences of genes both in yeast and human cells. These sites that are localized in the nuclear periphery, underneath the lamina, are bona fide anchorage points delimiting chromatin loops in view of the fact that the DNA between them is supercoiled, as demonstrated in nuclear halos. Incorporation of nucleotides proceed at these sites in both transcription and replication. These observations allow us to envision the nuclear architecture with transcriptional activity involving the formation of R-loops being organized via anchoring the two ends of the genes to the nuclear matrix, a structure identical or associated with the lamina.
Lorant Szekvolgyi, Laszlo Imre, Doan Xuan Quang Minh, Eva Hegedus, Zsolt Bacso, and Gabor Szabo: Flow Cytometric and Laser Scanning Microscopic Approaches in Epigenetics Research, Philippe Collas (ed.), Chromatin Immunoprecipitation Assays, Methods in Molecular Biology, 2009
Imre L, Balogh I, Kappelmayer J, Szabó M, Melegh B, Wanker E, Szabó G.: Detection of mutations by flow cytometric melting point analysis of PCR products., Cytometry A., 2011
László Imre, Zoltán Simándi, László Nagy and Gábor Szabó: Global epigenetic changes accompanying embryonic stem cell differentiation, Focus on stem cell research - the cardiovascular aspects of stem cell research, Debrecen, Hungary 10.03.2011-11.03.2011, 2011
László Imre, Zoltán Simándi, László Nagy and Gábor Szabó: Global epigenetic changes accompanying embryonic stem cell differentiation, IX. Magyar Genetikai Kongresszus es XVI. Sejt- es Fejlődesbiologiai Napok, Siófok, 2011. március 25.-27., 2011
György Fenyőfalvi, Lóránt Székvölgyi, Éva Hegedüs, László Imre and Gábor Szabó: LOOK AT THE LOOPS: RELATIONSHIPS BETWEEN TRANSCRIPTION, REPLICATION AND SUPERCOILED STATE, 22nd Wilhelm Bernhard Workshop, Riga, 2011
György Fenyőfalvi, Éva Hegedüs, Lóránt Székvölgyi, Zsolt Bacsó and Gábor Szabó: Chromatin Loops Emanating from R-loops, RNase H 2010, conference, Montreal, Canada, 2010-09-14 - 2010-09-27, 2010
László Imre, György Fenyőfalvi, Zoltán Simándi, László Nagy and Gábor Szabó: Nucleosome-DNA cohesion is highly sensitive to certain H3 modifications and to superhelical twist., 1st Hungarian Epigenetic Meeting - basic science and clinical applications, 2012
