Эпигенетика: читать книгу онлайн полностью и бесплатно
Автор: Эллис Чарльз, Дженювейн Томас, Рейнберг Дэнни
Рис. 3.8. Переходы в хроматиновой матрице (cis/trans)
Модификации гистонов могут также вызывать то, что мы обозначаем как trans-эффекты, рекрутируя в хроматин связанные с модификацией молекулы-партнеры. Это может рассматриваться как «считывание» конкретной ковалентной метки гистона зависимым от контекста образом. Некоторые партнеры по связыванию обладают особым сродством и поэтому говорят, что они «помещаются как в док» («dock») на специфические «хвосты» гистона и нередко делают это, играя роль хроматиновой «застежки-липучки» («Velcro») для одного полипептида в составе значительно более крупного ферментативного комплекса, которому нужно связаться с хроматиновым полимером. Например, бромодомен — мотив, распознающий ацетилированные остатки гистона — часто, хотя и не всегда, является частью фермента ацетилтрансферазы гистонов (HAT), функция которого — ацетилирование гистонов-мишеней (см. рис. 3.10 в разделе 7) и который существует как часть более крупного комплекса, осуществляющего ремоделинг хроматина (Dhalluin et al. 1999; Jacobson et al. 2000). Аналогичным образом метилированные остатки лизина, встроенные в гистоновые «хвосты», могут считываться хромодоменами (Bannister et al., 2001; Lachner et al., 2001; Nakayama et al., 2001) или сходными доменами (например, МВТ, tudor) (Maurer-Stroh et al., 2003; Kim et al., 2006) и облегчать модуляции хроматина, происходящие «ниже по течению». В некоторых случаях, например, ассоциация хромодоменных белков ускоряет распространение гетерохроматина путем катализируемого гистоновой метилтрансферазой (HKMT) метилирования соседних гистонов, которые затем считываются хромодоменными белками (глава 5).
Модификации как «хвостовых» участков, так и глобулярного корового участка гистонов (Cosgrove et al., 2004) могут также «нацеливать» зависимые от АТФ ремоделирующие комплексы на 11-нанометровую фибриллу, необходимую для перехода от готового к действию эухроматина к транскрипционно активному состоянию. Эта мобилизация нуклеосом может происходить путем скольжения октамера, изменения структуры нуклеосомы в результате выпетливания ДНК (детали см. в главе 12) или замещения специфических коровых гистонов гистоновыми вариантами (глава 13). Зависимые от АТФ ремоделеры хроматина (такие как SWI/SNE — исторически важный пример!) путем гидролиза высвобождают энергию для того, чтобы осуществить значительные изменения в контактах гистон: ДНК, приводящие к выпетливанию, скручиванию и скольжению нуклеосом. Как было показано, эти нековалентные механизмы имеют критически важное значение для событий регуляции генов (Narlikar et al., 2002) в такой же мере, как и механизмы, связанные с ковалентной модификацией гистонов (глава 10). Тот факт, что специфические зависимые от АТФ ремоделеры могут перетасовывать варианты гистонов, включая их в хроматин и выводя их из него, дает возможность связать вместе с is-, trans-механизмы и механизмы ремоделинга. В свою очередь, понимание того, как эти взаимосвязанные механизмы действуют согласованным образом, варьируя эпигенетические состояния в хроматине все еще остается далеко не полным.
Более компактные и репрессивные хроматиновые структуры более высокого порядка (30-нанометровые) могут быть также получены в результате рекрутирования линкерного гистона Н1 и (или) зависящих от модификации, или «архитектурных», факторов, связанных с хроматином, — таких, как белок 1 гетерохроматина (НР1) или Polycomb (PC). Хотя обычно считают, что компактизация нуклеосомного хроматина (11-нанометрового) в 30-нанометровую транскрипционно некомпетентную конформацию осуществляется путем включения линкерного гистона Н1 в интерфазе, функциональное и структурное расчленение этого гистона до недавнего времени было затруднено (Fan et al., 2005). Одна вероятная проблема, связанная с этими исследованиями, заключается в том, что гистон Н1 существует в виде разных изоформ (около 8 у млекопитающих), затрудняя проведение детального генетического анализа. Таким образом, имеет место дублирование между некоторыми изоформами Н1, тогда как другие изоформы могут выполнять тканеспецифичные функции (Kimmins and Sassone-Corsi, 2005). Интересно, что сам Н1 может быть ковалентно модифицирован (фосфорилирован, метилирован, поли(АТФ)рибозилирован и т. д.), создавая возможность того, что cis- и trans-механизмы, проанализированные в настоящее время на коровых гистонах, вполне могут быть распространены и на этот важный класс линкерного гистона, а также на негистоновые белки (Sterner and Berger, 2000).
Значительные споры имели место по вопросу о деталях того, каким образом организована 30-нанометровая фибрилла хроматина. В целом были описаны либо «соленоидные» (одностартовая спираль) модели, в которых нуклеосомы постепенно сворачиваются вокруг центральной оси (6–8 нуклеосом на один оборот), либо более открытые модели типа «зигзага», предполагающие самосборку более высокого порядка (двухстартовая спираль). Новые данные, в том числе данные рентгеноструктурного анализа с использованием модельной системы, содержащей четыре нуклеосомы, позволяют предполагать такую организацию фибриллы, которая в большей мере согласуется с двухстартовой, зигзагообразной конформацией линкерной ДНК, соединяющей две стопки нуклеосомных частиц (Khorasanizadeh, 2004; Schalch et al., 2005). Несмотря на этот прогресс, мы отмечаем, что линкерный гистон не присутствует в действительно существующих [current] структурах и даже если бы он там присутствовал, 30-нанометровая хроматиновая фибрилла компактизирует ДНК всего лишь примерно в 50 раз. Таким образом, в организации хроматина существует значительно больше уровней более высокого порядка, которые еще предстоит различить за рамками свето- и электронно-микроскопического исследования и которые обусловливают либо интерфазное, либо митотическое состояния хроматина. Недавние результаты, полученные на живых клетках, несмотря на некоторую структурную неопределенность, уже выявили в интерфазных хромосомах существование множественных уровней сворачивания хроматина выше уровня 30-нанометровой фибриллы. Заслуживающим внимания достижением было развитие новых подходов, позволяющих метить специфические нуклеотидные последовательности ДНК в живых клетках, что создает возможность изучать динамику «открытия» и «закрытия» хроматина in vivo в реальном времени. Интересно, что эти результаты выявляют динамическое взаимодействие позитивных и негативных факторов ремоделинга хроматина в установлении хроматиновых структур более высокого порядка для состояний, в большей или меньшей мере совместимых с экспрессией генов (Fisher and Merkenschlager, 2002; Felsenfeld and Groudin, 2003; Misteli, 2004).
Имеет место организация в более крупные петлевидные хроматиновые домены (300–700 нм), возможно путем заякоривания хроматиновой фибриллы на периферии ядра или на других ядерных скаффолдах (остовах) с помощью таких ассоциированных с хроматином белков, как ядерные ламины Остается неясным, в какой степени эти ассоциации дают начало значимым [meaningful] «хромосомным территориям», но многочисленные сообщения показывают, что эта концепция заслуживает серьезного внимания. Например, наблюдали образование кластеров множественных сайтов активного хроматина с транскрипционными факторами РНК-полимеразы II (RNA pol II); аналогичные концепции, по-видимому, приложимы к образованию кластеров вокруг реплицирующейся ДНК и ДНК-полимеразы. Напротив, образование кластеров «молчащего» гетерохроматина (в особенности перицентромерных фокусов) и генов, локализованных в trans-положении, также было документировано (главы 4 и 21). Каким образом эти ассоциации контролируются и насколько ядерная локализация хроматиновых доменов затрагивает регуляцию генома — еще не ясно. Тем не менее, все большее количество данных показывает наличие корреляций активной или «молчащей» конфигурации хроматина с определенной ядерной территорией (Cremer and Cremer, 2001; Gilbert et al., 2004; Janicki et al., 2004; Chakalova et al., 2005).
Наиболее конденсированная структура ДНК наблюдается на стадии метафазы митоза или мейоза. Это делает возможным надежное расхождение, с помощью хромосом, точных копий нашего генома (одной или двух копий каждой хромосомы, в зависимости от наблюдаемого типа деления) в каждую дочернюю клетку. Эта конденсация связана с серьезным реструктурированием ДНК из состояния двухметровой, полностью растянутой молекулы в состояние дискретных хромосом размером в среднем 1,5 мкм в диаметре (рис. 3.7). Это не меньше, чем 10 000-кратная компактизация и она достигается путем гиперфосфорилирования линкерного (Н1) и корового гистона H3 и зависящего от АТФ действия конденсиновых и когезиновых комплексов и топоизомеразы II. Остается еще определить, как конкретно негистоновые комплексы затрагивают митотический хроматин (или модификации хроматина фазы М) и по каким правилам происходит (зависимым от клеточного цикла образом) их ассоциация с хроматином и высвобождение из него (Bernard et al., 2001; Watanabe et al., 2001). Здесь может оказаться важным хорошо известное митотическое фосфорилирование гистона H3 (т. е. серинов 10 и 28) и членов семейства Н1, но полного понимания того, в чем заключается функция этих митотических меток, предстоит еще достичь в генетических и биохимических экспериментах. Интересно, что была предложена формальная теория, согласно которой специфические метки, обусловленные метилированием, при сочетании с более динамичными и обратимыми метками, обусловленными фосфорилированием, могут действовать в гистоновых белках как «двоичный переключатель», управляя связыванием и высвобождением эффекторов, находящихся «вниз по течению» и затрагивающих хроматиновую матрицу (Fischle et al., 2003а). Используя связывание НР1 с метилированным по лизину 9 гистоном H3 (H3К9ше) и митотическое фосфорилирование серина 10 (H3S10ph), недавно получили данные в поддержку митотического «метил/фос-переключателя» (Daujat et al., 2005; Fischle et al., 2005; Hirota et al., 2005).
Такие специализированные хромосомные домены, как теломеры и центромеры, выполняют другие функции, направленные на динамику хромосом как таковую. Теломеры действуют как хромосомные концы, обеспечивая защиту и уникальное решение проблемы репликации самых кончиков молекул ДНК. Центромеры обеспечивают места прикрепления для микротрубочек веретена во время деления ядра. Оба этих специализированных домена играют фундаментальную роль в событиях, приводящих к надежному расхождению хромосом. Интересно, что и теломерный, и центромерный гетерохроматин отличается от эухроматина и даже других гетерохроматиновых районов (см. ниже) присутствием уникальных хроматиновых структур, которые в основном оказывают репрессивное действие на активность генов и рекомбинацию. Перемещение экспрессируемых генов из их нормального положения в эухроматине в новое положение в центромерном и теломерном гетерохроматине или поблизости от него (главы 4–6) может заставить эти гены «замолчать», создавая возможность описанного ранее скрининга для поиска и идентификации супрессоров или энхансеров эффекта положения мозаичного типа (PEV) или эффектов прителомерного положения (ТРЕ, telomere-position effects; Gottschling et al., 1990; Aparicio et al., 1991). Центромеры и теломеры имеют молекулярные сигнатуры, в том числе, например, гипоацетилированные гистоны. Интересно, что центромеры «маркированы» также присутствием гистонового варианта CENP-A, играющего активную роль в сегрегации хромосом (глава 14). Таким образом, правильная сборка и поддержание различающихся центромерного и перицентромерного гетерохроматина являются критичными для завершения митоза или мейоза и, отсюда, для жизнеспособности клеток. В дополнение к хорошо изученным центромерной и перицентромерной формам конститутивного гетерохроматина успешно исследуются механизмы эпигенетического контроля центромерной (и теломерной) «идентичности». Остроумными экспериментами удалось показать, что вместо нормальных центромер могут функционировать «неоцентромеры», демонстрируя тем самым, что идентичность центромер не диктуется нуклеотидными последовательностями ДНК (главы 13 и
14). Вместо этого данный специализированный хромосомный домен маркируют эпигенетические особенности [hallmarks], в том числе паттерны специфичных для центромер модификаций и варианты гистонов. В вопросе о том, каким образом другие кодирующие, не кодирующие и повторяющиеся участки хроматина вносят свой вклад в эти эпигенетические сигнатуры, достигнут значительный прогресс. Как те или иные из этих механизмов соотносятся (если соотносятся вообще) с паттернами бэндинга хромосом — неизвестно, но остается интригующей возможностью. Необходимо достичь понимания того, как эпигенетически регулируются эти части уникальных хромосомных районов, особенно в свете того, что многочисленные виды рака у человека характеризуются геномной нестабильностью, которая является маркером прогрессии некоторых заболеваний и неоплазии.
6. Различие между эухроматином и гетерохроматином
В этом обзоре эухроматин и гетерохроматин обсуждались раздельно, хотя мы признаем, что существуют множественные формы хроматинов обоих классов. Эухроматин, или «активный» хроматин, состоит в основном из кодирующих последовательностей, составляющих лишь небольшую долю (менее 4 %) генома млекопитающих Какие же молекулярные сигналы маркируют тогда кодирующие последовательности, обладающие потенциалом для продуктивной транскрипции, и каким образом структура хроматина вносит свой вклад в этот процесс? Обширная литература позволяет предполагать, что эухроматин существует в «открытой» (декомпактизированной), более чувствительной к нуклеазам конфигурации, делающей его «готовым» к экспрессии генов, хотя и не обязатаельно транскрипционно активным. Некоторые из этих генов экспрессируются повсеместно (гены «домашнего хозяйства»); другие регулируются ходом развития или индуцируются в ответ на внешние стрессорные факторы. Транскрипцию генов включает совместное действие избранных сА-действующих нуклеотидных последовательностей ДНК (промоторов, энхансеров и участков контроля локусов), связанных с комбинациями trans-действующих факторов, вместе с РНК-полимеразой и ассоциированными факторами (Sims et al., 2004). В совокупности эти факторы подверглись жесткому отбору в ходе эволюции, чтобы инструментовать сложные ряды биохимических реакций, которые должны происходить в «правильной» пространственной и временной последовательности. Обеспечивает ли хроматин «систему индексирования», гарантирующую, что вышеописанная машинерия сможет получить доступ к своим целевым последовательностям в клетках соответствующего типа?
На уровне ДНК соседние с промоторами области, богатые АТ, часто лишены нуклеосом и могут существовать в жесткой, неканонической конфигурации ДНК (В-форма), способствующей размещению транскрипционного фактора (TF) (Mito et al., 2005; Sekinger et al., 2005). Однако размещения TF недостаточно для обеспечения транскрипции. Рекрутирование механизмов [machines] ремоделинга нуклеосом посредством индукции активирующих модификаций гистонов (например, ацетилирование и метилирование H3К4) облегчает взаимодействие с механизмами транскрипции; в настоящее время определяют, каким образом это происходит (рис. 3.9 и глава 10). Замена вытесненных гистонов гистоновыми вариантами, после того как механизм транскрипции распутал и транскрибировал хроматиновую фибриллу, обеспечивает целостность хроматиновой матрицы (Ahmad and Henikoff, 2002). Однако образование полностью созревших иРНК также требует протекания посттранскрипционных процессов, в том числе сплайсинга, полиаденилирования и экспорта из ядра. Таким образом, собирательный термин «эухроматин» скорее всего обозначает сложное состояние (состояния) хроматина, охватывающее динамичную и сложную смесь механизмов [machines], тесно взаимодействующих друг с другом и с хроматиновой фибриллой и предназначенных для осуществления транскрипции функциональных РНК. Выяснение «правил», определяющих, каким образом, в самом общем смысле, эти «активирующие механизмы» [«activating machinery»] взаимодействуют с аппаратом транскрипции, а также с хроматиновой матрицей — волнующая область современных исследований, хотя в силу динамичной природы матрицы эту область, строго говоря, можно относить не к эпигенетике, а, скорее, к исследованиям динамики транскрипции и хроматина.
Что же тогда обозначает термин «гетерохроматин»? Хотя в исторической ретроспективе он изучен хуже, чем эухроматин, новые открытия заставляют считать, что гетерохроматин играет критически важную роль в организации и правильном функционировании геномов, начиная с дрожжей и кончая человеком (хотя у S. cerevisiae особая форма гетерохроматина). Его потенциальное значение подчеркивается тем фактом, что 96 % генома млекопитающих состоит из некодирующих и повторяющихся последовательностей. Новые открытия, касающиеся механизмов формирования гетерохроматина, выявили неожиданные вещи. Например, транскрипция, неспецифичная по отношению к последовательности и дающая двуспиральную РНК (dsRNA), подвержена сайленсингу по механизму, подобному РНК-интерференции (RNAi) (см. раздел 10). Образование таких dsRNAs действует как «сигнал тревоги», отражая тот факт, что соответствующая нуклеотидная последовательность ДНК не может генерировать функциональный продукт или инвазирвана РНК-транспозонами или вирусами. Эта dsRNA подвергается затем процессингу с помощью Dicer и нацеливается на хроматин комплексами, предназначенными для инициации каскада событий, ведущих к формированию гетерохроматина. В результате использования ряда модельных систем был достигнут заметный прогресс в анализе того, что, по-видимому, является высококонсервативным метаболическим путем, ведущим к «запертому» [«locked-down»] состоянию гетерохроматина. Хотя точная последовательность и детали событий могут варьировать, этот общий путь включает деацетилирование гистоновых «хвостов», метилирование специфических остатков лизина (например, H3К9), рекрутирование ассоциированных с гетерохроматином белков (например, НР1) и метилирование ДНК (рис. 3.9). Вполне вероятно, что секвестрирование отдельных участков генома в репрессивных ядерных доменах или территориях может усилить формирование гетерохроматина. Интересно, что все большее количество данных позволяет предполагать, что гетерохроматин может быть «состоянием по умолчанию», по крайней мере у высших организмов, и что присутствие сильного промотора или энхансера, продуцирующего эффективный транскрипт, может «пересилить» гетерохроматин Общие концепции сборки гетерохроматина приложимы, по-видимому, даже к низшим эукариотам. В число основных особенностей входят гипоацетилированные «хвосты» гистонов, что сопровождается связыванием чувствительных к ацетилированию белков гетерохроматина (например, белки SIR; детали см. в главе 4). В зависимости от вида грибов (например, почкующиеся vs. дробянковые дрожжи) наблюдаются различные объемы метилирования гистонов и HP 1-подобных белков. Даже при том, что эти геномы в большей степени настроены на общее, «по умолчанию», состояние готовности к транскрипции, имеются некоторые гетерохроматин-подобные районы генома (локусы спаривания, теломеры, центромеры и т. д.), которые способны супрессировать транскрипцию генов и генетическую рекомбинацию, когда тестируемые гены оказываются в этом новом соседстве.
Какие полезные функции мог бы обслуживать гетерохроматин? Определение центромер, участка конститутивного гетерохроматина, хорошо коррелирует с неким наследуемым эпигенетическим состоянием и, как полагают, эволюционно направляется самым крупным объединением в кластеры повторов и повторяющихся элементов на хромосоме. Это разбиение [partitioning] обеспечивает крупные и относительно стабильные гетерохроматиновые домены, маркированные репрессивными «эпигенетическими сигнатурами», облегчающими сегрегацию хромосом в митозе и мейозе (глава 14). Здесь стоит заметить, что центромерные повторы и соответствующие эпигенетические метки, ассоциирующиеся с ними, дуплицировались и переместились на другие хромосомные плечи для создания «молчащих доменов» у таких организмов, как дробянковые дрожжи. Конститутивный гетерохроматин в теломерах (защитных концах хромосом) аналогичным образом обеспечивает стабильность генома, выступая в роли хромосомных «кэпов». Наконец, известно, что формирование гетерохроматина является механизмом защиты от инвазивной ДНК В совокупности эти открытия подчеркивают тот общий взгляд, что гетерохроматин обслуживает важные функции по поддержанию генома, которые могут соперничать даже с функциями самого эухроматина.
Подводя итог, можно сказать, что широкие функциональные различия между эухроматином и гетерохроматином в настоящее время можно приписать трем известным характеристикам хроматина. Во-первых, это природа нуклеотидной последовательности ДНК — например, содержит ли она обогащенную АТ «жесткую» ДНК поблизости от промоторов, повторяющиеся последовательности и (или) последовательности, связывающие репрессоры, которые сигнализируют об ассоциации фактора. Во-вторых, качество РНК, продуцируемой в ходе транскрипции, определяет, будет ли она полностью подвергнута процессингу в иРНК, которая может быть транслирована, или же эта РНК будет деградирована или помечена для использования механизмом RNAi в целях гетерохроматинизации. В-третьих, пространственная организация в ядре может играть существенную секвестрирующую роль в поддержании локальных конфигураций хроматина.
Рис. 3.9. Различие между эухроматиновыми и гетерохроматиновыми доменами
Рисунок, суммирующий различия между эухроматином и конститутивным гетерохроматином. В их числе — различия в типе продуцируемых транскриптов, в рекрутировании связывающихся с ДНК белков (т. е. транскрипционного фактора [TF]), в ассоциированных с хроматином белках и комплексах, в ковалентных модификациях гистонов и в составе вариантных гистонов
7. Модификации гистонов и гистоновый код
Мы рассмотрели, каким образом модификации гистонов могут изменять хроматиновую матрицу посредством cis-эффектов, изменяющих межнуклеосомные контакты и промежуточные расстояния, или же trans-эффектов, вызываемых ассоциациями гистоновых и негистоновых белков с матрицей. Каков же вклад и биологический результат модификаций гистонов? Типы структуры хроматина, коррелирующие с модификациями гистоновых «хвостов», выявились в результате исследований, в которых использовалась основная масса гистонов и которые позволили предположить, что эпигенетические метки могут обеспечить сигнатуры «ВКЛЮЧЕНО» (т. е. активно) или «ВЫКЛЮЧЕНО» (т. е. неактивно). Это выяснилось в результате длительных исследований большей частью коррелятивного характера, которые показали, что определенные модификации гистонов, в особенности их ацетилирование, связаны с доменами активного хроматина или с участками, в целом пермиссивными для транскрипции В противоположность этому другие метки, такие как некоторые фосфорилированные остатки гистонов, давно ассоциировались с конденсированным хроматином, который, в целом, не поддерживает транскрипционную активность. Модификации гистонов, приведенные в Приложении 2, суммируют известные в настоящее время сайты модификаций. Здесь мы подчеркиваем, что приведенный материал отражает модификации и сайты, которые не обязательно характерны для любого организма.
Прежде всего, обсудим, каким образом производятся или удаляются модификации гистонов. Большая работа, проведенная в области исследования хроматина, позволила предположить, что модификации «хвостов» гистонов образуются («записываются») или удаляются («стираются») в результате каталитического действия ассоциированных с хроматином ферментативных систем. Однако исследователям годами не удавалось идентифицировать эти ферменты. За последнее десятилетие было идентифицировано очень большое число модифицирующих хроматин энзимов из различных источников; большая часть этих данных собрана в Приложении 2. Этот успех был достигнут в результате многочисленных биохимических и генетических исследований. Эти ферменты часто входят в состав крупных, состоящих из многих субъединиц комплексов, которые могут катализировать включение или удаление ковалентных модификаций как в гистоновых, так и в негистоновых мишенях. Более того, многие из этих энзимов катализируют свои реакции с замечательной специфичностью по отношению к остатку-мишени и к клеточному контексту (т. е. в зависимости от внешних или внутренних сигналов). Для ясности, а также в качестве примера, мы кратко обсудим четыре главные ферментативные системы, которые катализируют модификации гистонов, вместе с ферментативными системами противоположного действия, обеспечивающими реверсию этих модификаций (рис. 3.10) (Vaquero et al., 2003; Holbert and Marmorstein, 2005). В совокупности эти антагонистические активности управляют устойчивым балансом каждой рассматриваемой модификации.
Ацетилазы гистонов (HATs) ацетилируют остатки специфических лизинов в гистоновых субстратах (Roth et al., 2001); реверсия обеспечивается действием деацетилаз гистонов (HDACs) (Grozinger and Schreiber, 2002). Ферменты семейства гистоновых киназ фосфорилируют остатки специфических серинов или треонинов. а фосфатазы (РРТазы) удаляют метки, созданные фосфорилированием. Особенно хорошо известны митотические киназы, такие как циклин-зависимая киназа или киназа «aurora», катализирующая фосфорилирование корового (H3) и линкерного (Н1) гистонов. Менее очевидны в каждом из этих случаев противостоящие РРТазы, действие которых ревертирует результат этого фосфорилирования, когда клетки выходят из митоза.
Были описаны два общих класса метилирующих ферментов: PRMTs (protein arginine methyltransferases — метилтрансферазы аргининов белка), субстратом которых является аргинин (Lee et al., 2005), и HKMTs (histone lysine methyltransferases — метилтрансферазы лизинов гистонов), действующие на остатки лизина (Lachner et al., 2003). Метилирование аргининов косвенным образом ревертируется действием дезиминаз, которые конвертируют метиларгинин (или аргинин) в остаток цитруллина (Bannister and Kouzarides, 2005). Метилированные остатки лизина оказываются химически более стабильными. Было показано, что метилированный лизин существует в моно-, ди- и триметилированном состояниях. Несколько триметилированных остатков на аминоконцах H3 и Н4, по-видимому, обладают возможностью стабильно воспроизводиться в ходе клеточных делений (Lachner et al., 2004), как и метка H4K20mel в имагинальных дисках Drosophila (Reinberg et al., 2004). Недавно была описана лизин-специфичная «деметилаза» (LSD1) как аминооксидаза, способная удалять метилирование H3К4 (Shi et al., 2004). Этот энзим действует путем FSD-зависимой окислительной дестабилизации аминометильной связи, что приводит к образованию немодифипированного лизина и формальдегида. Было показано, что LSD1 действует избирательно в отношении активирующей H3К4 метки, созданной метилированием, и может дестабилизировать только моно- и ди-, но не триметилирование. Эта деметилаза является частью большого репрессивного белкового комплекса, который содержит также HDACs и другие энзимы Другие данные позволяют предполагать, что LSD1 может соединяться в комплекс вместе с рецептором андрогена в локусах-мишенях и деметилирует репрессивную гистоновую метку H3K9me2, внося вклад в транскрипционную активацию (Metzger et al., 2005). Другой класс гистоновых деметилаз, согласно данной ему храктеристике. работает с помощью более мощного механизма, механизма радикальной атаки, известного как гидроксилазы или диоксигеназы (Tsukada et al., 2006). Одна из них дестабилизирует только H3K36me2 (активная метка), но не триметилированное состояние. Эта новая гистоновая деметилаза jumonji (JHDM1) содержит консервативный домен jumonji, которых в геноме млекопитающих известно около 30; это позволяет предполагать, что некоторые из этих энзимов, может быть, могут атаковать и другие остатки, так же как триметильное состояние (Fodor et al., 2006; Whetstine et al., 2006).
Значительный прогресс был достигнут в анализе систем ферментов, управляющих устойчивым балансом этих модификаций, и мы подозреваем, что в этой увлекательной области будут достигнуты гораздо большие успехи. Остается понять, как регулируются эти ферментативные комплексы и как становятся мишенями их физиологически релевантные субстраты и сайты. Кроме того остается неясным, как ковалентные механизмы влияют на эпигенетические явления.
Рис. 3.10. энзимы, модифицирующие гистоны
Ковалентные модификации гистонов трансдуцируются ферментами, модифицирующими гистоны («писателями»), и удаляются активностями противоположного действия. Они делятся на классы в соответствии с типом ферментативного действия (например. ацетилирование или фосфорилирование). Белковые домены со специфическим сродством к модификации гистонового «хвоста» называются «читателями» (HAT) ацетилтрансфераза гистона; (PRMT) протеин-аргинин-метилтрансфераза; (HKMT) метилтрансфераза лизина гистонов; (HDAC) деацетилаза гистонов; (РРТаза) протеинфосфатазы; (Ас) ацетилирование; (Р) фосфорилирование; (Ме) метилирование
Модификации гистонов происходят не изолированно, а на основе комбинирования, как это предполагается — для модификационных кассет (т. е. ковалентных модификаций в соседних остатках определенного гистонового «хвоста», например H3К9те и H3S10ph или H4Slph, H4R3me и H4K4ас) и trans-гистоновых путей (ковалентных модификаций между разными «хвостами» гистонов или нуклеосомами; рис. 3.11). Интригует тот факт что почти все известные модификации гистонов коррелируют с активирующей или репрессивной функциями, в зависимости от того, какой аминокислотный остаток (остатки) в аминоконце гистона модифицирован Описаны как синергистические, так и антагонистические пути (Zhang and Reinberg, 2001; Berger, 2002; Fischle et al., 2003b), которые могут постепенно индуцировать комбинации активных меток, одновременно противодействуя репрессивным модификациям. Неизвестно, однако, сколько разных комбинаций модификаций по различным аминотерминальным позициям гистонов существует для любой данной нуклеосомы, потому что большинство исследований было выполнено на препаратах суммарных гистонов. Недавно было показано, что на структуру и сборку хроматина влияют, кроме аминоконцов, модификации в глобулярных доменах гистонов (Cosgrove et al., 2004), регулируя тем самым экспрессию генов и репарацию повреждений ДНК (van Attikum and Gasser, 2005; Vidanes et al., 2005). Стоит также упомянуть, что несколько модифицирующих гистоны энзимов избирают своей мишенью и негистоновые субстраты (Sterner and Berger, 2000; Chuikov et al., 2004). Рисунок 11 иллюстрирует два примера установленных иерархий гистоновых модификаций, которые, по-видимому, индексируют транскрипцию активного хроматина или, напротив, определяют рисунок гетерохроматиновых доменов.
Эти исследования ставят вопрос о том, существует ли «гистоновый код» или даже «эпигенетический код». Хотя эта теоретическая концепция оказалась весьма стимулирующей, и было показано, что в некоторых своих предсказаниях она правильна, вопрос 6 том, действительно ли существует некий код, остается в значительной степени открытым. Для сравнения скажем, что генетический код оказался крайне полезным ввиду возможности делать предсказания на его основе и благодаря его почти полной универсальности Он использует в основном «алфавит» из четырех оснований в ДНК (т. е. нуклеотидов), образуя в целом инвариантный и почти универсальный язык. В противоположность этому современные данные заставляют считать, что картины гистоновых модификаций значительно варьируют от организма к организму, особенно между низшими и высшими эукариотами, например дрожжами и человеком. Таким образом, даже если гистоновый код и существует, он, вероятно, не универсален. Эта ситуация становится еще более сложной, когда учитывается динамическая природа гистоновых модификаций, варьирующих в пространстве и во времени. Более того, хроматиновая матрица вовлекает в процесс ошеломляющее количество факторов ремоделинга (Vignali et al., 2000; Narlikar et al., 2002; Langst and Becker, 2004; Smith and Peterson, 2005). Однако анализ с использованием иммунопреципитации хроматина (ChIP) в масштабах целого генома (ChIP on chip) начал выявлять неслучайные и в какой-то мере предсказуемые паттерны в нескольких геномах (например, S. pombe, A. thaliana, клетки млекопитающих) — такие как сильные корреляции H3К4me3 с активированными участками промотора (Strahl et al. 1999; Santos-Rosa et al., 2002; Bernstein et al., 2005), a также метилирования H3K9 (Hall et al. 2002; Lippman et al., 2004; Martens et al., 2005) и H3K27 (Litt et al., 2001; Ringrose et al., 2004) с «молчащим» гетерохроматином. Возможно, ограничением гистонового кода является то обстоятельство, что одна модификация не транслируется неизменно в один биологический выходной сигнал. Однако действуя в комбинации или кумулятивным образом, модификации, по-видимому, действительно определяют биологические функции и вносят свой вклад в них (Henikoff, 2005).
Новые книги
Смотреть все
Самые популярные книги
Самые комментируемые
Прямо сейчас читают
