Эпигенетика: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Третья метка метилирования гистонов, функционально связанная с формированием гетерохроматина, — это метилирование H3K27, катализируемое HKMT E(Z). У Drosophila E(Z) контролирует все моно-, ди- и триметилирование H3K27 и в эухроматине, и в гетерохроматине. Следовательно, в нуль-клетках по E(z) все метилирование H3K27 утрачивается (Ebert et al., 2004). На функцию метилирования H3K27 в сайленсинге гетерохроматиновых генов указывает как Su(var)-эффект мутаций E(z) типа утраты функции, так и энхансерный эффект дополнительных копий гена E(z) (Laible et al., 1997). Неясно, является ли этот эффект прямым или косвенным. Метилирование H3K27 является критическим для системы сайленсинга Polycomb, которая действует в эухроматиновых доменах. Между паттернами распределения и функциональными ролями PC и НР1 наблюдается относительно небольшое перекрывание. Каким образом могла бы осуществляться подгонка метилирования H3K27 к зависимым от НР1 гетерохроматиновым комплексам — еще предстоит выяснить. Белок НР1 выполняет центральную линкерную функцию в формировании гетерохроматина и ассоциированном сайленсинге генов, связывании H3K9me2 и H3K9me3 и взаимодействии непосредственно с SU(VAR)3-9 и несколькими дополнительными белками. Учитывая число идентифицированных локусов Su(var), эта модель определенно становится более сложной. У млекопитающих и растений метилирование H3K9 гистонов и метилирование ДНК представляют взаимосвязанные метки репрессированного хроматина (Martienssen and Colot, 2001; Bird, 2002). Происходит ли вообще метилирование ДНК у Drosophila или нет, многие годы было предметом полемики. Недавние сообщения о низком уровне метилирования ДНК у ранних эмбрионов вновь подогрели эту дискуссию (Kunert et al., 2003). Анализ генома показывает, что единственная имеющаяся различимая ДНК-метилтрансфераза — это Dnmt2. Мутации в этом гене мало влияют на организм. Тем не менее, его роль в раннем эмбриогенезе исключать нельзя.

5. Хромосомные белки образуют взаимозависимые комплексы для поддержания и распространения гетерохроматиновой структуры

PEV отражает изменение в экспрессии гена вследствие генетической перестройки, а именно утрату экспрессии репортерного гена в некоторых клетках, в которых он в норме активен. Для объяснения PEV предложено несколько разных моделей; не все из них являются взаимоисключающими. Одна из возможностей, рассмотренная исходно, — это случайная потеря гена, возможно вследствие поздней репликации (Karpen and Spradling, 1990). Анализ с помощью количественного Саузерн-блоттинга показал, что это объяснение в общем виде неприменимо; гены, обнаруживающие мозаицизм, обычно полностью реплицируются в диплоидной ткани (Wallrath et al., 1996). Другие модели делают акцент на ассоциации гена, обнаруживающего мозаицизм, с гетерохроматиновым компонентом ядра и (или) на распространении гетерохроматиновой структуры с гетерохроматина, оказавшегося по соседству. Эта модель распространения, базирующаяся на многочисленных генетических и цитологических данных, объясняет сайленсинг как следствие распространения гетерохроматиновой упаковки через точку разрыва в эухроматиновые в норме районы. В нормальных хромосомах эухроматиновые и гетерохроматиновые районы, по-видимому, изолированы [insulated] друг от друга специфическими последовательностями или буферными зонами. Поскольку эти «изолирующие последовательности» [«insulating sequences»] (которые никогда не были полностью определены у Drosophila) отсутствуют в местах соединения эухроматина и гетерохроматина при PEV-перестройках (см. рис. 5.1), гетерохроматинизация эухроматиновых последовательностей индуцируется с переменным успехом. Эту гетерохроматинизацию можно видеть на цитологическом уровне в политенных хромосомах как сдвиг от бэндированной к аморфной структуре в основании хромосомных плечей (Hartmann-Goldstein, 1967); степень этого изменения можно модифицировать мутациями Su(var) и E(var) (Reuter et al., 1982).

Инактивацию эухроматиновых генов на расстоянии вдоль по длине хромосомы можно продемонстрировать генетически (Demerec and Slizynska, 1937). Затронутые районы становятся связанными с НР1 (Belyaeva et al., 1993) и обнаруживают H3K9me2, типичную метку гетерохроматина Drosophila (Ebert et al., 2004). Поскольку модель распространения постулирует конкуренцию между упаковкой в эухроматин и упаковкой в гетерохроматин, гены-модификаторы PEV могли бы кодировать функции контроля либо формирования гетерохроматина, либо формирования эухроматина. Обнаружение зависимых от дозы модификаторов, как обсуждается выше, свидетельствует в пользу такой модели (Locke et al., 1988; Henikoff, 1996). И действительно, недавно были идентифицированы мутации Su(var), контролирующие баланс между эухроматином и гетерохроматином (Ebert et al., 2004). PEV-перестройки позволили нам визуализировать и изучить случаи, где гетерохроматиновая упаковка распространяется на фланкирующий эухроматиновый домен. Этот эффект распространения несомненно зависит от ряда молекулярных реакций в эухроматиновых районах. Известны несколько модификаций гистонов, которые являются взаимоисключающими и которые определяют эти альтернативные хромосомные состояния. Ацетилирование H3K9, метилирование H3K4 и фосфорилирование H3S10 — типичные метки активного эухроматина, тогда как метилирование H3K9, H3K27 и H4K20 является специфической меткой «молчащих» районов. Следовательно, гетерохроматинизация эухроматиновых районов требует специфических реакций деацетилирования, деметилирования и дефосфорилирования в эухроматине, как это изображено на рис. 5.6. Этот переход исходно зависит от деацетилирования H3K9 ферментом HDAC1 Мутации в гене rpd3, кодирующем специфическую для H3K9 деацетилазу гистонов HDAC1, являются сильными супрессорами PEV(Mottus et al., 2000), выступая антагонистами эффекта SU(VAR)3-9 в сайленсинге генов (Czermin et al., 2001). Как было показано, HDAC1 in vivo ассоциирован с комплексом SU(VAR)3-9/HPl; эти два энзима работают кооперативно, метилируя предацетилированные гистоны.

Недавно наблюдали, что распространение гетерохроматина в эухроматин полностью блокируется у мутантов Su(var)3-1 (Ebert et al., 2004). Мутации Su(var)3-1 являются мутациями сдвига рамки считывания в гене, кодирующем киназу JIL1; они приводят к экспрессии усеченного белка JIL1, не имеющего карбокситерминального района. Белок JIL1 содержит два киназных домена и катализирует фосфорилирование H3S10 в эухроматине. Мутации JIL1Su(var)3~1 не влияют на фосфорилирование H3S10, но, вероятно, нарушают дефосфорилирование H3S10, эффективно подавляя метилирование H3K9. Это заставляет предположить участие фосфатазы. Неизвестно, участвует ли энзим РР1 (который был идентифицирован с помощью мутаций Su(var)3-5) (Baksa et al., 1993) непосредственно в этой реакции. Деметилирование H3K4 является, по-видимому, еще одной предпосылкой для гетерохроматинизации эухроматиновых районов. Недавние работы показали, что аминооксидаза LSD1 функционирует у млекопитающих как деметил аза H3K4 (Shi et al., 2005). Предполагаемый гомолог LSD1 у Drosophila, SU(VAR)3-3, облегчает распространение гетерохроматина в эухроматиновые районы во всех испытанных PEV-перестройках (S. Lein et al., неопубликовано). В соответствии с этим в нуль-клетках по Su(var)3-3, у которых нет LSD1, приобретение метилирования H3K9 в эухроматине, фланкирующем точку разрыва, отменяется, хотя конститутивно гетерохроматиновые районы не затрагиваются. Эти открытия показывают, что для удаления специфических для эухроматина меток модификаций гистонов необходима координированная функция нескольких энзимов, прежде чем может иметь место переход к гетерохроматиновой упаковке (см. рис. 5.6). Вполне вероятно, будет обнаружено, что эти необходимые энзимы образуют комплексы с SU(VAR)3-9/HPl, как это было уже показано для HDAC1.

6. Как формирование гетерохроматина «нацеливается» у Drosophila?

Хотя мы многое узнали о механистических аспектах и биохимии структуры гетерохроматина, как это описано выше, остается открытым вопрос о том, каким образом формирование гетерохроматина «нацеливается» на избранные районы генома в его нормальной конфигурации. Все гетерохроматиновые домены обладают некоторыми общими чертами, и две такие особенности признаны существенными входными сигналами [inputs] для сборки гетерохроматина на данной нуклеотидной последовательности ДНК: положение локуса относительно пространственно обособленных [distinct] субдоменов гетерохроматина в ядре и присутствие повторяющейся ДНК

^{Рис. 5.6. Переход из эухроматинового состояния в гетерохроматиновое состояние требует ряда изменений в модификациях гистонов}

^{(а) Активные гены маркированы H3K4me2 и me3; эта метка, если присутствует, предположительно должна быть удалена LSD1 (у Drosophila пока еще не охарактеризован). В эухроматине НЗК9 в норме апетилирован; эта метка должна быть удалена деацетилазой гистонов, HDAC1. Фосфорилирование H3S10 может интерферировать с метилированием НЗК9; дефосфорилирование, по-видимому, происходит с участием фосфатазы, «нацеливаемой» взаимодействием с карбоксильным концом киназы JIL1 Эти переходы создают обстановку для приобретения модификаций, связанных с сайленсингом (показано на б), в том числе метилирования НЗК9 белком SU(VAR)3-9, связывания НР1 и последующего метилирования Н4К20 белком SUV4-20, ферментом, рекрутируемым НР1. Может также происходить метилирование НЗК27 энзимом E(Z)}

В целом гетерохроматиновые массы видны на периферии ядра и вокруг ядрышка. У эмбрионов Drosophila эта тенденция выражена еще более отчетливо. Гетерохроматиновые массы впервые видны в раннем эмбриогнезе, когда ядра перемещаются к периферии яйца. Раннее развитие у Drosophila является синцитиальным вплоть до 14-го цикла ядерных делений, когда образуются клеточные стенки между ядрами, и образуется типичная бластула (шарик из клеток). Гетерохромати новый материал (центромеры, четвертая хромосома) концентрируется на одной стороне ядра, ориентированной в сторону внешней поверхности яйца (Foe and Alberts, 1985). Такое пространственное подразделение ядра сохраняется в ходе развития, приводя к концепции [the concept] гетерохроматиновых «компартментов» в ядре. Эти компартменты могут поддерживать высокую концентрацию факторов, необходимых для формирования гетерохроматина (таких как НР1 и HKMTs), и в то же время могут быть лишены факторов, необходимых для сборки эухроматина и экспрессии генов (таких как HATs и RNA pol II). Действительно, было показано, что близость к гетерохроматиновым массам, как по положению вдоль по длине хромосомы, так и в трех измерениях, является одним из факторов в PEV.

Было показано, что близость к массе центрического [centric] гетерохроматина влияет на мозаицизм как для эухроматиновых генов (примером которых является white; см. выше), так и для гетерохроматиновых генов (наиболее изученными примерами которых являются light и rolled). Можно наблюдать, что гетерохроматиновые гены, картированные в эти домены, обнаруживают мозаичность, когда перестройка помещает их в непосредственной близости от эухроматина; обычно они демонстрируют противоположную зависимость, требуя для полной экспрессии нормальных уровней HP 1 и показывая усиление мозаичности, когда количество НР1 мало.

Мозаицизм light зависит не только от его близости к эухроматину, но и от положения точки разрыва а именно от расстояния от гетерохроматина, измеряемого по длине хромосомного плеча (Wakimoto and Hearn 1990). Аналогичные данные были опубликованы для rolled. Исследования brown dominant (bwD), эухроматинового гена, мозаицизм экспрессии которого был индуцирован вставкой повторяющейся ДНК, показали, что сдвиг в степени близости этого локуса к центрическому гетерохроматину может приводить к усилению сайленсинга (если ближе) или подавлению сайленсинга (если дальше) (Henikoff et al., 1995). Аналогичным образом транслокация четвертой хромосомы, несушей репортер white, в дистальную половину хромосомного плеча 2L или 2R приводит к резкой утрате сайленсинга; в ядрах слюнных желез это коррелирует с изменением во внутриядерном расположении, вплоть до того, что часто оказываются занятыми сайты, удаленные от хромоцентра (Cryder-manetal., 1999а).

В недавнем исследовании с использованием микроскопии высокого разрешения изучали как активность гена (используя антитела, специфичные к продукту), так и ядерную локализацию репортера (используя FISH — fluorescence in situ hybridization) в одной и той же клетке в нормальных временных рамках экспрессии. Инверсия, вызывающая мозаицизм white, а также bwD и трансген lacZ с мозаичной экспрессией изучались в дифференцирующихся глазных дисках или в глазах взрослых мух. В этом исследовании обнаружили сильную корреляцию между положением репортерного гена в клеточном ядре по отношению к перицентромерному гетерохроматину и уровнем экспрессии, что говорило в пользу существования гетерохроматинового «компартмента» и корреляции между положением в этом компартменте и сайленсингом гена (Harmon and Sedat, 2005). Однако эта корреляция не является абсолютной. Это неудивительно, при том что исследования с репортером white указывают на присутствие как эухроматиновых, так и гетерохроматиновых доменов, чередующихся в маленькой четвертой хромосоме (которая всегда располагается вблизи массы перицентромерного гетерохроматина). Эти последние наблюдения указывают на другие локальные детерминанты, вносящие вклад в упаковку хроматина в той или в другой форме.

У D. melanogaster, согласно оценке по цитологическим критериям, одна треть генома является гетерохроматиновой. Сюда входят крупные блоки, которые фланкируют центромеры, более мелкие блоки, связанные с теломерами, вся Y-хромосома и большая часть маленькой четвертой хромосомы. Центромерные районы состоят из крупных (0,2—1 млн о.) блоков сателлитной ДНК, чередующихся с «островками» сложных нуклеотидных последовательностей, обычно мобильных элементов (Le et al., 1995). Эти районы, хотя и бедны генами, не лишены их вовсе; согласно современным оценкам, в перицентромерном гетерохроматине находятся несколько сотен генов (Hoskins et al., 2002). Теломеры Drosophila не содержат типичных повторов, обогащенных G, которые наблюдаются в других местах, но состоят из копий ретротранспозонов НеТ-А и TART. Ассоциированные с теломерами последовательности (TAS — telomere-associated sequences), блоки из повторов 102—103 нуклеотидов, обнаруживаются в проксимальном положении, и трансгенные репортеры white, вставленные в эти районы, демонстрируют мозаичный фенотип. Хотя Y-хромосома и несет гены для ряда факторов мужской фертильности, основная масса этой хромосомы составлена из сателлитной ДНК, и она остается конденсированной во всех клетках за исключением мужской зародышевой линии. Размеры маленькой четвертой хромосомы порядка 4,3 млн о., в том числе около 3 млн о., состоящих из сателлитной ДНК. Дистальные 1,2 млн о. могут считаться эухроматиновыми в том отношении, что они политенизированы в слюнной железе (см. рис. 5.4), но, судя по их поздней репликации, полному отсутствию в них меиотических обменов и по их связи с НР1, НР2 и H3K9me2, они, по-видимому, являются гетерохроматиновыми (рис. 5.4). Плотность фрагментов транспозонов в этом районе в шесть—семь раз выше, чем в эухроматиновых плечах, подобно участкам на границе между центрическим гетерохроматином и эухроматином на других хромосомах (Kaminker et al., 2002). Интересно, что в исследованиях четвертой хромосомы с помощью P-элемента с репортером white, обсуждавшегося выше (рис. 5.3а), обнаружили чередование как эухроматиновых доменов (приводящих к «красноглазому» фенотипу) так и гетерохроматиновых доменов (приводящих к мозаичному фенотипу) (Sun et al., 2004).

Эти данные заставляют предполагать присутствие локальных элементов в ДНК, способных управлять формированием гетерохроматина или эухроматина. Генетический скрининг на переключение фенотипа (с красной окраски на мозаичность и наоборот) показал, что локальные делеции или дупликации 5—80 т.о. ДНК, фланкирующей транспозонный репортер, могут приводить к утрате или приобретению мозаичности, указывая на наличие cis-действующих (на короткие расстояния) детерминантов сайленсинга (рис. 5.7). Этот сайленсинг зависит от НР1 и коррелирует с изменением в структуре хроматина, как показывает изменение в доступности для нуклеаз; все это указывает на сдвиг от эухроматинового к гетерохроматиновому состоянию. Данные по картированию в одном из районов четвертой хромосомы позволяют предполагать, что транспозон 1360 является мишенью для формирования гетерохроматина, и показывают, что, коль скоро формирование гетерохроматина начинается в диспергированных повторяющихся элементах, оно может распространяться вдоль по длине четвертой хромосомы примерно на 10 т.о. или пока не столкнется с конкуренцией со стороны эухроматинового детерминанта (Sun et al., 2004). Наблюдения, показывающие, что тандемные или инвертированные повторы репортерных Р- элементов приводят к формированию гетерохроматина и сайленсингу генов, также позволяют предполагать наличие действующих на короткие расстояния cis-активных детерминантов, связанных с числом копий (Dorer and Henikoff, 1994).

Такие cis-активные элементы в ДНК могли бы функционировать посредством сиквенс-специфичного связывания белка, способного включать формирование гетерохроматина Были идентифицированы белки, специфически связывающиеся с некоторыми из сателлитных ДНК (например, D1 — Aulner et al., 2002). Вывод о важности этих взаимодействий был сделан, исходя из влияния специфичных для сателлитной ДНК веществ, связывающихся с ДНК и способных подавлять PEV (Janssen et al., 2000). Однако данные, полученные на дрожжах и растениях (Elgin and Grewal, 2003; Matzke and Birchler, 2005; см. Главы 8 и 9), позволяют предложить другую модель, а именно, что некий основанный на RNAi механизм мог бы использоваться для «нацеливания» формирования гетерохроматина на повторяющиеся элементы. Работы из нескольких лабораторий показали, что система RNAi у Drosophila имеется и играет важную роль в регуляции в ходе развития посредством посттранскрипционного сайленсинга генов (PTGS). D. melanogaster обладает двумя генами, кодирующими белки DICER, и многочисленными генами (aubergine, AGO1, AGO2, spindle [известный также как homeless], vasa intronic gene [VIG], armitage, Fmr1), кодирующими компоненты или белки, необходимые для сборки индуцируемого РНК сайленсирующего комплекса (RISC) (Sontheimer, 2005). Участие этой системы предположили в PTGS повторяющихся последовательностей, особенно тандемно повторяющихся генов Stellate, нескольких ретротранспозонов и трансгенов Alcohol dehy-rogenase (Adh) и в транскрипционном сайленсинге (TGS) трансгенов Adh (Aravin et al., 2001; Pal-Bhadra et al., 2002). Пал-Бхадра с соавторами (Pal-Bhadra et al., 2004) обнаружили при прямом тестировании, что мутации вpiwi (член семейства домена PAZ) и homeless (DEAD-боксовая геликаза) подавляют PEV, связанный с тандемными порядками гена white, и что мутации в piwi, aubergine и homeless подавляют сайленсинг трансгена white P[hsp70-w] в перицентромерном гетерохроматине или четвертой хромосоме. Эта супрессия PEV была связана со значительным снижением уровня метилирования H3K9. Связанные с повторами малые интерферирующие РНК (rasiRNAs) были идентифицированы с 40 % известных мобильных элементов (включая 1360) и других повторяющихся последовательностей (Aravin et al., 2003).

Рис. 5.7. Возможная модель гетерохроматинового «нацеливания»

^{dsRNA с повторяющихся последовательностей процессируется с помощью RISC и генерирует гипотетический «комплекс нацеливания», который управляет либо модификацией гистонов, либо ассоциацией с НР1 как начальным этапом в сборке гетерохроматина в сайте, идентифицированном малой ssRNA. Данные, полученные на четвертой хромосоме, позволяют предположить, что фрагменты ДНК-транспозона 1360 (оранжевые полосы) являются мишенью для формирования гетерохроматина: локальные делеции или дупликации, которые сдвигают положение репортера R-элемента (треугольник) в сторону от элемента 1360, ведут к утрате сайленсинга (красный треугольник обозначает красный глаз), тогда как близость к 1360 приводит к сайленсингу (треугольник с точками обозначает мозаичный глаз) (на основе данных Sun et al., 2004)}

В совокупности эти обсуждавшиеся выше результаты заставляют предполагать, что формирование гетерохроматина может зависеть как от ядерной локализации (возможно, создающих богатый пул требующихся белков), так и от специфического «нацеливания» на основе RNAi-распознавания и процессинга двунитевой РНК с повторяющихся элементов, в особенности некоторых из ДНК-транспозонов. Такое «нацеливание» посредством RISC могло бы привлечь либо метилтрансферазу гистона H3, либо комплекс, включающий НР1 (либо и то, и другое) к сайту для включения процесса сборки, обсуждавшегося в разделе 4.

7. Не весь гетерохроматин идентичен

Хотя в общих терминах гетерохроматин был описан выше, ясно, что гетерохроматиновые домены варьируют в деталях. Все гетерохроматиновые домены характеризуются повторяющейся ДНК (см. выше), но это может варьировать от тандемных последовательностей коротких повторов (сателлитная ДНК), обнаруживаемых в блоках в центромерных районах, до высокой плотности перемежающихся повторяющихся последовательностей, что наблюдается в четвертой хромосоме. В то время как все гетерохроматиновые районы, по-видимому, ассоциированы с НР1 и H3K9me2, ясно, что связанные с этим белковые комплексы должны отличаться в иных отношениях. Исследование влияния 70 разных модификаторов на разные гены, демонстрирующие мозаицизм (в том числе wт4, bwD, репортеры R-элемента в перицентромерном гетерохроматине или в порядке [array] TAS), показало, что на фоне существенного перекрывания в мишенях модификаторов имеет место удивительная сложность. С помощью использованного набора тестов эти модификаторы разделили на семь разных групп с точки зрения их способности влиять на сайленсинг в данном компартменте (Donaldson et al., 2002). Интересно, что единственным модификатором в этой группе, влияющим на сайленсинг в порядке TAS, была новая аллель Su(var)3-9.

Эти различия несомненно отражают изменения в локальной биохимии или в энзимах, используемых для этого. Например, цитологические результаты показывают, что в то время, как H3K9me2 сильно концентрируется вдоль по длине четвертой хромосомы, ответственный за это энзим — это не SU(VAR)3-9 (Schotta et al., 2002; К.A. Haynes et al., неопубликовано). Даже в пределах перицентромерного гетерохроматина следует ожидать мозаицизм, принимая во внимание различия в составляющих его основу блоках ДНК, которые варьируют от сателлитной ДНК до кластеров перемежающихся повторов (Le et al., 1995), которые могли бы использовать разную смесь гетерохроматиновых белков. Последствия были видны в исследованиях, где изучали влияние разных блоков перицентромерного гетерохроматина на экспрессию с репортера, и можно было наблюдать, что степень выраженности [severity] фенотипа зависит не просто от количества гетерохроматина в cis-конфигурации, но варьирует в зависимости от локального гетерохроматинового окружения (Howe et al., 1995). Связанные с гетерохроматином белки, которые могут играть роль в специфических субдоменах, включают AT-hook белок D1, преимущественно связанный с сателлитом III с плотностью 1,688 г/см3 (Aulner et al., 2002), и DDP1, мульти-КН-доменный белок, гомологичный вигилину, который связывается с богатой пиримидинами С-нитью додекасателлита (Cortes and Azonn, 2000).

8. PEV, формирование гетерохроматина и сайленсинг генов у различных организмов

Явление мозаицизма, обусловленного эффектом положения (PEV), первоначально было установлено на Drosophla просто потому, что это был один из первых организмов, на которых для получения мутаций было использовано Х-излучение. Х-излучение с гораздо большей вероятностью, чем другие обычно используемые мутагены, индуцирует хромосомные перестройки, результатом которых может быть PEV. Сходные мутации были изолированы у мышей, где пятнистая окраска меха указывает на PEV. Генетический анализ выявил вставку аутосомного района, несущего аллели дикого типа генов окраски меха, в Х-хромосому (Cattanach, 1961; Russel and Bangham, 1961). Мозаичность наблюдается только у самок, несущих эту вставку в сочетании с гомозиготной мутацией в исходных генах окраски меха. У этих самок аллель дикого типа становится инактивированной вследствие Х-инактивации путем гетерохроматинизации (глава 17). У растений единственный несомненный случай PEV был описан у Oenothera blandina (Catcheside, 1939). В этих случаях, как и у Drosophila, PEV-сайленсинг эухроматиновых генов связан с перемещением этих генов в новое гетерохроматиновое окружение.

Транскрипционный сайленсинг генов наблюдали также для повторяющихся последовательностей (RIGS; repeat-induced gene silencing), особенно у растений. Анализ затрагиваемых последовательностей обнаружил появление эпигенетических меток (метилирование гистонов и ДНК), аналогичных тем, которые обнаруживаются в гетерохроматине и в районах, сайленсированных PEV. Если ввести в Arabidopsis фрагменты ДНК, содержащие тандемно расположенные гены люциферазы, наблюдается мозаичная экспрессия люциферазы. Опять-таки, за наблюдаемый сайленсинг генов отвечает формирование гетерохроматина. Лежащие в основе этого молекулярные механизмы консервативны у высших эукариотических организмов.

Центральной особенностью сайленсинга гетерохроматиновых генов у Drosophila является взаимодействие НР1 с H3K9me2 и HKMT SU(VAR)3-9. НР1 консервативен от дрожжей Schizosaccharomyces pombe до человека и неизменно связан с перицентромерным гетерохроматином. Гены НР1 человека можно использовать для «спасения» нехваток [deficiency] у Drosophila (Ма et al., 2001). Однако у растений НР1 как таковой не был идентифицирован. SU(VAR)3-9 представлен еще более широко, будучи идентифицирован у дробянковых дрожжей (Clr4), Neurospora (DIM5), Arabidopsis и млекопитающих (SUV39H). Все эти гомологи (SU(VAR)3-9 катализируют метилирование H3K9 и функционируют в формировании гетерохроматина. Опять-таки, трансген SUV39H1 человека может полностью компенсировать утрату эндогенного белка в мутантных линиях Drosophila (Schotta et al., 2002). У высших растений (Arabidopsis, рис и кукуруза) обнаружено несколько белков (SUVH), гомологичных SU(VAR)3-9 (Baumbusch et al, 2001). Большое число HKMTs может отражать пластичность развития у растений или необходимость реагировать на факторы внешней среды (см. дальнейшее обсуждение в главе 9). Четыре белка SUVH — SUVH1, SUVH2, SUVH4 (KYP) и SUVH6 - были изучены детально (Jackson et al., 2002; Naumann et al., 2005). Bee они оказались метилтрансферазами H3K9 гистонов. SUVH2 играет центральную роль в контроле состояний гетерохроматина, обнаруживая зависимое от дозы влияние на формирование гетерохроматина, подобное тому, что сообщалось для SU(VAR)3-9 Drosophila (Naumann et al., 2005). Утрата функции SUVH2 сильно подавляет зависимый от повторов сайленсинг, а сверхэкспрессия вызывает значительное усиление такого сайленсинга у растений с люциферазными трансгенами.

Другие гены, идентифицированные с помощью мутаций Su(var) Drosophila, кодируют белки с консервативными функциями. HKMT SUV4-20 была охарактеризована у млекопитающих и у Drosophila (Schotta et al., 2004). У этих организмов она контролирует триметилирование по H4K20. Деметилазы гистонов, ацетилазы и деацетилазы также являются консервативными (Т. Rudolph et al., неопубликовано). Эволюционный консерватизм многих ключевых энзимов, контролирующих модификацию гистонов, говорит в пользу идеи гистонового кода (Jenuwein and Allis, 2001). Однако изучение специфичных для хроматина меток модификации гистонов, наблюдающихся у Drosophila, млекопитающих и растений (Arabidopsis), выявляет и некоторые специфичные для рода элементы.

В число существенных признаков конститутивного гетерохроматина у млекопитающих входят H3K9me3, H3K27me1 и H4K20me3 (Peters etal., 2003; Rice etal., 2003; Schotta et al., 2004). Гетерохроматин Drosophila характеризуется H3K9me1/me2, H3K27me1/me2/me3 и H4K20me3 (Schotta et al., 2002, 2004; Ebert et al., 2004). В противоположность млекопитающим у Drosophila H3K9me3 недопредставлен. У млекопитающих H3K9me1 не является меткой гетерохроматина. У Arabidopsis, как у Drosophila, H3K9me1/me2 — метки гетерохроматина, тогда как H3K9me3 — эухроматиновая метка (Naumann et al., 2005). H3K27me1 и H3K27me2 являются гетерохроматиновыми метками у Arabidopsis, тогда как эти же метки у Drosophila обнаруживаются в эухроматине и гетерохроматине. H3K27me3 — исключительно эухроматиновая метка у Arabidopsis. H4K20mel у Arabidopsis является гетерохроматиновым, но H4K20me2 и H4K20me3 — эухроматиновыми. Еще одно бросающееся в глаза различие между Arabidopsis и животными касается хромосомного распределения фосфорилирования H3S10. Эта метка является гетерохроматиновой у Arabidopsis (A. Fischer and G. Reuter, неопубликовано), но эухроматиновой у Drosophila (Wang et al., 2001; Ebert et al., 2004). Сходство и различие в специфичных для гетерохроматина метках модификации гистонов между млекопитающими, Drosophila и Arabidopsis несомненно указывают на то, что гистоновый код не является полностью универсальным, а, скорее, существует в виде разных диалектов. -