Эпигенетика: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Однако с такими возможными ситуациями должны справляться механизмы «подавления» и MSUD. Хотя «подавление» не полностью супрессирует распространение транспозонов в вегетативных клетках, о чем свидетельствует пролиферация интродуцированной копии транспозона Tad, подобного LINE, оно («подавление») действительно частично сайленсирует такие транспозоны (Nolan et al., 2005). Информация о действии MSUD позволяет считать, что этот процесс будет сайленсировать любую транспозированную последовательность в мейотических клетках, даже если она присутствует лишь в виде единственной копии в геноме (Shiu et al., 2001). Кроме борьбы с блуждающими транспозонами в мейозе MSUD, по-видимому, играет также важную роль в процессе видообразования, как показывает наблюдение, согласно которому мутанты, дефектные по MSUD, ослабляют стерильность штаммов, несуших большие дупликации хромосомных сегментов, и создают возможность скрещивания близкородственных видов с N. crassa (Shiu et al., 2001).

Хотя RIP, «подавление» и MSUD могут быть помехой в некоторых генетических экспериментах, все эти явления были использованы для исследовательских целей. RIP дал первый простой способ нокаута генов у Neurospora и все еще остается предпочтительным методом получения мутантов с частичной функцией. «Подавление» тоже было использовано для уменьшения, если не полного устранения, функции гена — во многом так же, как была использована RNAi у целого ряда организмов. A MSUD дает простой способ протестировать, требуются ли те или иные конкретные гены для функционирования в мейозе (или сразу после него); если оказывается, что ген, будучи дуплицирован или находясь в эктопическом положении, вызывает стерильность, и эта стерильность устраняется мутацией, блокирующей MSUD, можно с уверенностью принять, что он играет важную роль в мейозе.

Кроме этих эволюционных ролей, постулированных для RIP, «подавления» и MSUD, а также их полезности в лабораторных исследованиях следует рассмотреть возможность того, что эти процессы используются и иным образом. Например, тот факт, что функция Sad-1 необходима для полной фертильности, позволяет предполагать, что MSUD, прямо или косвенно, необходим для мейоза (Shiu and Metzenberg, 2002). В случае RIP (хотя этот процесс и не является существенным) распределение продуктов RIP в геноме Neurospora позволяет предполагать, что «мусорные» (junked) транспозоны могут служить организму в качестве субстрата для формирования кинетохоров — во многом так же, как служат повторяющиеся последовательности у S. pombe и других организмов. Анализ нуклеотидных последовательностей ДНК хромомосмы 7 показывает, что последовательности вокруг генетически картированных центромер Neurospora состоят в основном из остатков транспозонов, интенсивно мутировавших в результате действия RIP (рис. 6.16). Реликты RIP обнаруживаются также по соседству с теломерными последовательностями Neurospora. Интересно, что транспозоны и остатки транспозонов обычно обнаруживаются и в гетерохроматиновых последовательностях других организмов, таких как Drosophila (глава 5), млекопитающие (глава 17), растения (глава 9) и другие грибы.

3. Заключительные замечания

Грибы S. pombe и N. crassa оказались мощными системами для обнаружения и объяснения эпигенетических явлений. Эпигенетика как область науки все еще находится в стадии младенчества, и эпигенетические механизмы продолжают появляться на свет. Поэтому не удивительно, что глубина и широта нашего сегодняшнего понимания таких эпигенетических процессов, как те, что описаны в настоящей главе, варьируют от организма к организму. Еще слишком рано судить о том, насколько общими являются описанные эпигенетические механизмы. Например, возможно, что для сайленсинга и формирования гетерохроматина некоторые организмы, подобно S. pombe, базируются главным образом на RNAi, тогда как другие, такие как N. crassa, основываются в большей степени на метилировании ДНК. Уже ясно, что даже эти два этих модельных эукариотных организма обладают и важными различиями, и существенным сходством. Оба организма используют метилирование гистона H3K9 и RNAi, при том что ни один из этих механизмов не обнаружен у почкующихся дрожжей, S. cerevisiae. Из этих трех грибов, однако, только Neurospora практикует метилирование ДНК. Стоит также заметить, что данный процесс может быть функционально довольно различным у этих двух организмов. Например, у Neurospora участие компонентов RNAi предполагается в «подавлении» и мейотическом сайленсинге, но не в формировании гетерохроматина, тогда как у дробянковых дрожжей компоненты RNAi вносят вклад в формирование гетерохроматина, но другие их роли не установлены. Наконец, следует отметить, что даже такие обшие черты, как гетерохроматин, ассоциированный с центромерами, у дробянковых дрожжей и у Neurospora могут обладать важными различиями. Важная цель на будущее состоит в том, чтобы открыть, в какой степени информация, собранная на одном организме, приложима к другим объектам. Дальнейшие исследования эпигенетических процессов у различных модельных организмов, в том числе S. pombe и N. crassa, дадут эту информацию. Мы надеемся, что грибы как чрезвычайно разнообразные организмы будут продолжать служить полезными системами для эпигенетических исследований на многие годы.

Рис. 6.16. Организация района центромеры 7 у N. crassa

^{Были собраны контиги 249,255 и 21 релиза 7.0 геномной последовательности (http://www.broad.mit.edu/annorntion/fungi-neurospora_crassa_7/index.html) и все кроме первых 400 т.о. последовательности контига 10, и этот объединенный файл последовательностей был проанализирован с инкрементом 200 п.н. на «индексы RIP» (ТрА/АрТ [синий цвет] и CpA+TpG/ApC+GpT [красный цвет]) (Galagan et al., 2003; Selker et al., 2003; Galagan and Selker, 2004). Район длиной -360 т.о. с высокой плотностью перемещаемых элементов (ТЕ), инактивированных RIP (остатки ретротранспозонов — синий цвет, остаток ДНК-транспозона — фиолетовый цвет), был обнаружен между маркерами, фланкирующими центромеру, которая была картирована генетически. Изображенный сегмент длиной -1.5 млн о. включает 383 аннотированных гена (над линией и под ней, чтобы показать гены в противоположных ориентациях), из которых только 20 коротких предсказанных гена находятся в пределах предсказанного центромерного района. Размеры перерывов в последовательности [sequence gaps] между контигами (позиции 0.5466, 0.6956 и 0.9058 млн о. на рисунке) неизвестны}

Благодарности

R.C.A. благодарит Alison L. Pidoux и Sharon A White за Рис. 4 и Рис. 3, соответственно; а также Alison L. Pidoux и Elizabeth Н. Bayne за замечания по рукописи. Исследования в лаборатории Allshire поддержаны the Wellcome Trust, MRC, и the EC FP6 Epigenome Network of Excellence. R.CA. является a Wellcome Trust Principal Research Fellow. E.U.S. благодарит N.B. Raju за помошь в подборе рисунков по Neurospora и Robert L. Metzenberg за замечания по рукописи. Исследования в Selker-лаборатории поддерживаются U.S. Public Health Service grant GM35690 от the National Institutes of Health и National Science Foundation grant MCB0131383.

Литература

Allshire R.C., Javerzat J.P., Redhead N.J., and Cranston G. 1994. Position effect variegation at fission yeast centromeres. Cell 76: 157-169.

Allshire R.C., Nimmo E.R., Ekwall K., Javerzat J.P., and Cranston G. 1995. Mutations derepressing silent centromeric domains in fission yeast disrupt chromosome segregation. Genes Dev. 9: 218-233.

Aramayo R. and Metzenberg R.L. 1996. Meiotic transvection in fungi. Cell 86: 103-113.

Ayoub N., Goldshmidt 1., Lyakhovetsky R., and Cohen A. 2000. A fission yeast repression element cooperates with centromere-like sequences and defines a mat silent domain boundary. Genetics 156: 983-994.

Bailis J.M., Bernard P., Antonelli R., Allshire R.C., and Forsbuig S.L. 2003. Hskl-Dfp1 is required for heterochromatin-mediated cohesion at centromeres. Nat. Cell Biol. 5: 1111-1116.

Bannister A. J., Zegerman P., Partridge J.F., Miska E.A., Thomas J.O., Allshire R.C., and Kouzarides T. 2001 Selective recognition of methylated lysine 9 on histone H3 by the HP1 chromo domain. Nature 410: 120-124.

Baum M., Ngan V.K., and Clarke L. 1994. The centromeric K-type repeat and the central core are together sufficient to establish a functional Schizosaccharomyces pombe centromere. Mol. Biol. Cell 5: 747-761.

Baumberger N. and Baulcombe D.C. 2005. Arabidopsis ARGO-NAUTE1 is an RNA Slicer that selectively recruits micro RNAs and short interfering RNAs. Proc. Natl. Acad. Sci. 102: 11928-11933.

Bernard P, Maure J.F., Partridge J.F., Genier S., Javerzat J.P., and Allshire R.C. 2001. Requirement of heterochromatin for cohesion at centromeres. Science 294: 2539-2542.

Bhat A. and Kasbekar D.P 2001. Escape from repeat-induced point mutation of a gene-sized duplication in Neurospora crassa crosses that are heterozygous for a larger chromosome segment duplication. Genetics 157: 1581-1590.

Borkovich K.A., Alex L.A., Yarden O., Freitag M., Turner G.E., Read N.D., Seiler S., Bell-Pedersen D., Paietta J., Plesofsky N., et al., 2004. Lessons from the genome sequence of Neurospora crassa: Tracing the path from genomic blueprint to multicellular organism. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 68: 1-108.

Cam H.P., SugiyamaT., Chen E.S., Chen X., FitzGerald P.C., and Grewal S.I. 2005. Comprehensive analysis of heterochromatin- and RNAi-mediated epigenetic control of the fission yeast genome. Nat. Genet. 37: 809-819.

Catalanotto C., Pallotta M., ReFalo P., Sachs M.S., Vayssie L., Macino G., and Cogoni C. 2004. Redundancy of the two dicer genes in transgene-induced posttranscriptional gene silencing in Neurospora crassa. Mol. Cell. Biol. 24: 2536-2545.

Chen E.S., Saitoh S., Yanagida M., and Takahashi K. 2003. A cell cycle-regulated GATA factor promotes centromeric localization of CENP-A in fission yeast. Mol. Cell 11: 175-187.

Chicas A.. Cogoni C., and Macino G. 2004. RNAi-dependent and RNAi-independent mechanisms contribute to the silencing of RIPed sequences in Neurospora crassa. Nucleic Acids Res. 32: 4237-4243.

Chicas A., Forrest E.C., Sepich S., Cogoni C., and Macino G. 2005 Small interfering RNAs that trigger posttranscriptional gene silencing are not required for the histone H3 Lys9 methylation necessary for transgenic tandem repeat stabilization in Neurospora crassa. Mol. Cell. Biol. 25: 3793-3801.

Clarke L. and Baum M.P. 1990. Functional analysis of a centromere from fission yeast: A role for centromere-specific repeated DNA sequences. Mol. Cell. Biol. 10: 1863-1872.

Cleveland D.W., Mao Y., and Sullivan K.F. 2003. Centromeres and kinetochores: From epigenetics to mitotic checkpoint signaling. Cell 112: 407-421.

Cogoni C., Irelan J.T., Schumacher M., Schmidhauser T.J., Selker E.U., and Macino G. 1996. Transgene silencing of the al-1 gene in vegetative cells of Neurospora is mediated by a cytoplasmic effector and does not depend on DNA-DNA interactions or DNA methylation. EMBO J. 15: 3153-3163.