Эпигенетика: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

^{Рах5 и Вс16 (вместе с МТАЗ) регулируют программу экспрессии генов В-клеток и поддерживают судьбу В-клеток зародышевого центра (GC) посредством транскрипционной репрессии Blimp 1 — регулятора плазматических клеток. Сильный сигнал BCR в конце развития В-клеток GC ведет к деградации белка Вс16 и сопровождающей ее экспрессии Blimp 1, которая впоследствии репрессирует Вс16 и Рах5 и вместе с ХВР1 индуцирует программу транскрипции, характерную для плазматических клеток. Наиболее вероятно, что Blimp1 активирует экспрессию ХВР1 косвенно как часть реакции на развернутый белок, посредством индукции экспрессии секретируемых иммуноглобулинов. Детальное описание см. в тексте}

Вс16 далее связывается через свой амино-концевой домен POZ с тремя корепрессорами SMRT, NCoR и BCoR взаимоисключающим образом (Huynh and Bardwell, 1998; Huynh et al., 2000). Эти три корепрессора, которые дополнительно взаимодействуют с ферментом класса II — HDAC3 (Huynh et al., 2000), могут усиливать репрессию, опосредованную МТАЗ, тех же генов, служащих мишенями для Вс16, или сайленсировать другой набор генов в В-клетках зародышевого центра. Антигенная стимуляция высокоаффинных рецепторов Ig на В-клетках зародышевого центра сопровождается редукцией уровня белка Вс16. Активация рецептора, таким образом, ведет к фосфорилированию Вс16, индуцированному МАР-киназой, которое включает быструю деградацию белка Вс16 по убиквитин-протеосомному пути (Niu et al., 1998).

Падение уровня Вс16 смягчает репрессию гена Prdm1l, что приводит к увеличению экспрессии белка Blimp 1 и последующему развитию в плазматические клетки (рис. 21.10) (Shaffer et al., 2000; Calame et al., 2003). Blimp 1 контролирует множество аспектов дифференцировки плазматических клеток. Во-первых, Blimp 1 нацеливает глубинную транскрипционную программу дифференцировки В-клеток с помощью репрессирующего Рах5 (рис. 10) (Shaffer et al., 2002), который необходим для поддержания функции и идентичности В-клеток (Horcher et al., 2001; Mikkola et al., 2002). Во-вторых, с помощью даун-регуляции экспрессии других транскрипционных факторов (таких как Spi-B, EBF1, СИТА, Id3, Oct2, и OBF1) Blimp 1 косвенно заканчивает транскрипцию генов, которые кодируют белки, необходимые для сигналинга с рецептора антигена и для презентации антигена (Shaffer et al., 2002). В-третьих, чтобы обеспечить покоящееся состояние плазматических клеток, Blimp 1 напрямую репрессирует транскрипцию с-тус (Shaffer et al., 2002). В-четвертых, гены, несоответствующие линии, зарепрессированные в В-клетках при помоши Рах5, реактивируются после того, как в плазматических клетках произошла опосредованная Blimp 1 даун-регуляция экспрессии Рах5 (Delogu et al.,2006). Следовательно, подавляя остальные репрессоры, Blimp 1 может косвенно активировать экспрессию дополнительных генов с важными для плазматических клеток функциями. В-пятых, Blimp1 необходим для экспрессии секретируемых иммуноглобулинов (Calame et al., 2003), которые накапливаются в эндоплазматическом ретикулуме, активируя тем самым экспрессию ХВР1, как часть реакции на развернутый белок. Транскрипционный фактор ХВР1 регулирует секрецию антител, и, таким образом, он важен для дифференцировки плазматических клеток (Reimold et al., 2001; Shaffer et al., 2004).

Интересно, что Blimp 1 также является ключевым детерминантом спецификации примордиальных зародышевых клеток на ранних стадиях эмбриогенеза, как это обсуждается в главе 20. Механизм Blimp 1-опосредованной репрессии в развивающихся примордиальных зародышевых и плазматических клетках в основном неясен. Похоже, однако, что Blimp 1 использует в плазматических клетках те же принципы репрессии, что и в фибробластах, где PRDI-BF1, человеческий ортолог мышиного Blimp 1, участвует в постиндукционной репрессии гена p-интерферона (IFNB1) во время вирусной инфекции (Keller and Maniatis, 1991). Несколько механизмов отвечают за репрессию гена IFNB1, опосредованную PRDI-BF1. Присоединение PRDI-BF1 способно переместить активаторы транскрипции с промотора IFNB1(Keller and Maniatis, 1991). Кроме того, PRDI-BF1 взаимодействует с корепрессорами белкового семейства Groucho, которое использует деацетилазы гистонов как часть своего репрессионного механизма (Ren et al., 1999). Дальнейший сайленсинг достигается через ассоциацию PRDI-BF1 с белком G9a (Gyory et al., 2004), который принадлежит подсемейству метилтрансфераз гистонов со специфичностью к лизину 9 гистона H3 (Tachibana et al., 2002). В отличие от Suv39hl, который использует H3K9me3 для построения транскипционно репрессивной среды в центромерном гетерохроматине (Peters et al., 2001), G9a вносит свой вклад в H3K9me2 и генный сайленсинг в эухроматиновых участках (Tachibana et al., 2002). Каталитическая активность G9a требуется для подавления функции PRDI-BF1, так как каталитически неактивный белок G9a аннулирует ингибирующее влияние PRDI-BF1 на транскрипцию IFNB1 (Gyory et al., 2004). Далее делеция домена, взаимодействующего с G9a, предотвращает метилирование H3K9 и транскрипционный сайленсинг посредством PRDI-BF1 (Gyory et al., 2004). В свете этих данных вероятно, что метилирование гистонов, опосредованное G9a, является необходимым механизмом, с помощью которого Blimp 1 генерирует стабильный паттерн экспрессии генов в плазматических клетках. Интересно, что белок Blimp 1 также содержит домен SET подсемейства PR (RIZ). Предположили, что домен SET родственного белка RIZ1 (Prdm2) участвует в супрессии опухоли и метилировании гистона H3 по лизину 9 (Kim et al., 2003). Следовательно, остается проверить, вносит ли также домен SET белка Blimp 1 свой вклад в репрессию гена в процессе дифференцировки плазматических клеток.

4.2. Пластичность зрелых В-клеток в процессе развития

Возникновение плазматических клеток обычно считается конечной стадией развития В-клетки, так как экспрессия генов иммуноглобулина — это необходимая функция как В-клеток, так и плазматических клеток. Интересно, что в клетках обоих типов гены иммуноглобулина экспрессируются под комбинированным контролем убиквитных, а не В-лимфоидных транскрипционных факторов. Однако, помимо генов иммуноглобулина, В-клетки и плазматические клетки радикально различаются по своим паттернам генной экспрессии (Shaffer et al., 2002, 2004). Что касается функции Рах5, плазматические клетки даже как бы дают «задний ход», так как специфический для плазматических клеток сайленсинг экспрессии Рах5 ведет к реактивации генов, нехарактерных для В-линии, которые в норме репрессированы при помощи Рах5 в начале развития В-клеток (Delogu et al., 2006). Эти данные по генной экспрессии поддерживают, таким образом, альтернативный взгляд, что дифференцировка В-клеток, простимулированных антигеном, в плазматические клетки — это действительно «линейный» переключатель. Эта гипотеза предсказывает, что потенциал развития зрелой В-клетки не должен быть ограничен судьбой В-лимфоцита, но должен быть более пластичным, что подтверждается следующими данными.

Эктопическая экспрессия транскрипционного фактора Вс16 В-клетки и его корепрессора МТАЗ в установившихся линиях плазматических клеток ведет к репрессии генов, специфических для плазматических клеток, в том числе регуляторных генов Blimp1 и ХВР1 (Fujita et al., 2004). В то же время реактивируются множественные гены, специфичные для В-клеток, включая гены-мишени для Рах5 (СИТА and BLNK). и сам ген Рах5(Fujita et al., 2004). Следовательно, белка Вс16 и его партнера — белка МТАЗ достаточно, чтобы перепрограммировать плазматические клетки в клетки с судьбой В-клеток, по меньшей мере в проанализированных условиях культивирования in vitro (рис. 21.11).

Транскрипционный фактор С/Е В Ра, который необходим для развития гранулоцитов, экспрессируется исключительно в миелоидных прогениторах и их дифференцированных потомках (Akashi et al., 2000). Принудительная экспрессия С/ЕВРа в В-лимфоцитах из костного мозга или селезенки ведет к эффективной трансдифференцировке инфицированных В-клеток в функциональные макрофаги в течение 5 дней (Xie et al., 2004). Таким образом, С/ЕВРа активирует миелоидную генную программу и параллельно репрессирует гены, специфичные для В-клеток, интерферируя с транскрипционной активностью Рах5 (Xie et al., 2004). Следовательно, потеря функции Рах5, по-видимому, облегчает превращение В-клеток, присущее миелоидной клеточной линии в ответ на эктопическую экспрессию С/ЕВРа (рис. 21.11).

Условная инактивация гена однозначно указывает на решающую роль Рах5 в контроле идентичности В-клеток в процессе В-лимфопоэза. Cre-опосредованная генная делеция в коммитированных про-В-клетках показывает, что Рах5 необходим не только для того, чтобы инициировать свою В-лимфоидную программу транскрипции, но и для поддержания ее на ранних этапах развития В-клетки (Mikkola et al., 2002). Как следствие инактивации Рах5, ранее коммитированые про-В-клетки восстанавливают способность дифференцироваться в макрофаги in vitro и возрождать развитие Т-клеток in vivo (рис. 21.11) (Mikkola et al., 2002). Условная) делеция Рах5 в зрелых В-клетках также ведет к утрате Рах5-зависимой программы экспрессии гена (Horcher et al., 2001; Delogu et al., 2006). Однако более удивительно то, что зрелые В-клетки с делецией Рах5 все время ретродифференцируются in vivo в мутантные по Рах5 прогениторы после того, как их инъецируют в мышей, дефектных по RAG2. Эти мутантные по Рах5 прогениторы возвращаются в костный мозг, из которого они заселяют тимус и полностью восстанавливают развитие Т-клеток в RAG2-дефицитном хозяине (рис. 21.11)

Рис. 21.11. Пластичность В-лимфоцитов на разных этапах развития

^{Эктопическая экспрессия Вс16 и МТАЗ в установившихся линиях клеток плазмы сайленсирует транскрипцию генов, специфических для плазматических клеток, и одновременно реактивирует программу экспрессии В-клеток (оранжевая стрелка) (Fujita et al., 2004). CD19+ В лимфоциты, которые не были далее охарактеризованы относительно их стадии развития, подвергаются стремительной трансдифференцировке в макрофаги in vitro в ответ на принудительную экспрессию С/ЕВРа (красная стрелка) (Xie et al., 2004). Условная делеция Рах5 позволяет коммитированным про-В-клеткам и даже зрелым В-клеткам ретродифференцироваться in vivo в некоммитированные прогениторы, которые затем развиваются в остальные типы гематопоэтических клеток в костном мозге или в Т-клетки в тимусе (черные стрелки) (Mikkola et al., 2002; С. Cobaleda и М. Busslinger, неопубликованные данные). Синий цвет означает экспрессию Рах5 во время развития В-клетки}

Тот факт, что соответствующие дважды-позитивные тимоциты CD4+CD8+ несут IgH и Ig? и перестройки TCRa and TCRfi, однозначно демонстрирует, что зрелые В-клетки после потери Рах5 могут быть превращены в Т-клетки через ретродифференцировку в стадию некоммитированной клетки-прогенитора (С. Cobaleda and М. Busslinger, неопубл.). Следовательно, экспрессия Рах5 постоянно требуется для поддержания идентичности В-лимфоцитов от стадии про-В-клетки до стадии зрелой В-клетки. На основании анализа других систем развития у мух и позвоночных животных, предполагается, что транскрипционные факторы инициируют «решение» о той или иной судьбе клетки посредством изменения паттернов экспрессии генов, тогда как транскрипционное состояние коммитированных клеток впоследствии поддерживается эпигенетическими факторами, кодируемыми группами генов Polycomb и Trithorax (Ringrose and Раю, 2004; обсуждается подробнее в главах 11 и 12). Постоянная потребность в транскрипционном факторе Рах5 могла бы свидетельствовать против важной роли этих систем эпигенетической памяти в развитии В-клеток. Однако более вероятно, что Рах5 может поддерживать идентичность В-клеток, выступая ключевым фактором рекрутирования, чтобы нацелить белковые комплексы Polycomb или Trithorax на регуляторные элементы генов.

5. Заключительные замечания

Резюмируя вышеизложенное, заметим, что в регуляции и направлении развития лимфоцита участвуют разнообразные эпигенетические механизмы. Из всех различных эпигенетических регуляторов мы в настоящее время больше всего знаем о роли транскрипционных факторов, которые контролируют общие паттерны генной экспрессии, рекрутируя модифицирующие хроматин активности (такие, как ацетилтрансферазы гистонов или деацетилазы гистонов) к регуляторным элементам генов. Меньше известно про контроль над генной экспрессией метилтрансферазами гистонов, белками групп Trithorax и Polycomb или путями microRNA и siRNA. Расшифровка роли этих регуляторных систем потребует экспериментально сконструированной условной инактивации гена, потому что метилтрансферазы гистонов, белки Trithorax и Polycomb так же, как и компоненты аппарата RNAi, являются фундаментально важными не только для лимфопоэза, но также и для эмбрионального развития. Более того, развитие и доступность методов иммунопреципитации хроматина на микрочипе (ChlP-on-chip) позволят с высоким разрешением картировать эпигенетические модификации в целых хромосомах и сложных локусах (таких, как локусы рецепторов антигенов) на разных стадиях лимфопоэза. Эти недавние достижения, по-видимому, обеспечат новое понимание механизмов эпигенетического контроля, лежащих в основе развития лимфоцитов.

Литература

Adolfsson J., Mansson R., Buza-Vidas N., Hultquist A., Liuba K., Jensen C.T., Bryder D., Yang L., Borge O.J., Thoren L.A.M., et al., 2005. Identification of Flt3+ lymph0myeloid stem cells lacking erythromegakaryocytic potential: A revised road map for adult blood lineage commitment. Cell 121: 295–306.

Akashi K., Traver D., Miyamoto T., and Weissman I.L., 2000. A clono-genic common myeloid progenitor that gives rise to all myeloid lineages. Nature 404: 193–197.

Allman D., Sambandam A., Kim S., Miller J.P., Pagan A., Well D., Meraz A., and Bhandoola A., 2003. Thymopoiesis independent of common lymphoid progenitors. Nature Immunol. 4: 168–174. Bariev N. A., Emelyanov A. V., Castagnino P., Zegerman P., Bannister A.J., Sepulveda M.A., Robert E, Tora L., Kouzarides T., Birshtein B.K., and Berger S.L., 2003. A novel human Ada2 homologue functions with Gcn5 or Brg 1 to coactivate transcription. Mol. Cell. Biol. 23: 6944–6957.

Bassing C.H., Swat W., and Alt E.W., 2002. The mechanism and regulation of chromosomal V(D)J recombination. Cell (suppl.) 109: S45-S55.

Baxter J., Merkenschlager M., and Fisher A.G., 2002. Nuclear organisation and gene expression. Curr Opin. Cell Biol. 14: 372–376.

Baxter J., Sauer S., Peters A., John R., Williams R., Caparros M.L., Arney K., Otte A., Jenuwein T., Merkenschlager M., and Fisher A.G., 2004. Histone hypomethylation is an indicator of epigenetic plasticity in quiescent lymphocytes. EMBO J. 23: 4462–4472.

Bereshchenko O.R., Gu W., and Dalla-Favera R., 2002. Acetylation inactivates the transcriptional repressor BCL6. Nat. Genet. 32: 606–613.

Borland D.J., Wood A.L., Johnston CM., Bunting S.F., Morgan G., Chakalova L., Fraser P.J. and Corcoran A.E., 2004. Antisense inter-genic transcription in V(D)J recombination. Nat. Immunol. 5: 630–637.

Brown K.E., Guest S.S., Smale S.T., Hahm K., Merkenschlager M., and Fisher A.G., 1997. Association of transcriptionally silent genes with Ikaros complexes at centromeric heterochromatin. Cell 91: 845–854.

Busslinger M., 2004. Transcriptional control of early B cell development. Annu- Rev. Immunol 22: 55–79.

Calame K.L., Lin K.I., and Tunyaplin C., 2003. Regulatory mechanisms that determine the development and function of plasma cells. Annu. Rev. Immunol. 21: 205–230.

Chow CM., Georgiou A., Szutorisz H., Maia e Silva A., Pombo A., Barahona I., Dargelos E., Canzonetta C. and Dillon N., 2005. Variant histone H3.3 marks promoters of transcriptionally active genes during mammalian cell division. EMBO Rep. 6: 354–360.

Chowdhury D. and Sen R., 2001. Stepwise activation of the immunoglobulin p heavy chain gene locus. EMBO J., 20: 6394–6403.

Chowdhury D. and Sen R., 2003. Transient IL-7/IL-7R signaling provides a mechanism for feedback inhibition of immunoglobulin heavy chain gene rearrangements. Immunity 18: 229–241.