Эпигенетика: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Молекулярные компоненты, необходимые для RdDM и TGS, выявлены в результате скрининга соответствующих трансгенов и эндогенных генетических систем. Трансгенные системы транскрибируемых инвертированных повторов или вирусов поставляют двутяжевые РНК, гомологичные соответствующим локусам ДНК-мишеней. В этом отношении информативными эндогенными генами при генетическом скрининге оказались ген фосфорибозилантранилат изомеразы (PAI) (Mathieu and Bender, 2004) и SUPERMAN ген (Chan et al., 2005). Эти гены выполняют роль мишеней или индукторов RdDM и TGS. Например, в семействе из четырех PAI генов два представляют собой инвертированные повторы. Транскрипция инвертированных повторов в области непосредственно вышестоящего промотора приводит к появлению двутяжевых РНК, которые могут специфично связываться с синглетными копиями PAI генов для метилирования ДНК и сайленсинга.

Почти всегда консервативные ДНК-метилтрансферазы и гистон-модифицирующие ферменты необходимы для RdDM (разделы 2.1 и 2.2). De novo метилирование цитозиновых остатков в различных нуклеотидных контекстах катализируется ДНК-метилтрансферазой из класса консервативных DRM ферментов. Консервативная МЕТ1 и специфичная для растений ДНК-метилтрансфераза СМТЗ осуществляют прежде всего поддерживающее метилирование соответственно CpG и CpNpG сайтов, хотя они в небольшой степени могут быть вовлечены и в de novo метилирование. Консервативная гистоновая деацетилаза HDA6 и SWI2/SNF2 белок DDM1 помогают поддерживать CpG метилирование в некоторых локусах. Гистоновая метилтрансфераза KYP/SUVH4 вовлечена в поддержание локус-специфичного CpNpG метилирования, индуцированного РНК (Chan et al., 2005).

К удивлению, недавно было найдено, что для RdDM необходима специфичная для растений РНК-полимераза, называемая pol IV. У всех изученных до сих пор эукариот имеются три ДНК-зависимых РНК-полимеразы (pol 1, pol II и pol III), которые содержат несколько субъединиц, закодированных в определенных генах. Первое свидетельство о существовании pol IV появилось в результате анализа нуклеотидной последовательности ДНК генома, когда были выявлены гены, кодирующие две самые большие субъединицы растительной уникальной, атипичной РНК-полимеразы. Существуют два функционально различных комплекса pol IV с самыми крупными специфичными уникальными субъединицами, каждая из которых взаимодействует с общей для них второй крупной субъединицей, pol IVa необходима для образования siPHK, по-видимому, изначально в результате транскрипции генов-мишеней (Herr et al., 2005; Onodera et al., 2005). RDR2 использует исходный транскрипт в качестве матрицы для синтеза двутяжевои РНК. которая процессируется DCL3 — ядерной активностью, которая специализирована на образовании 24-членных гетерохроматиновых siPHK с транспозонов и повторяющихся последовательностей генома (Xie et al., 2004). После образования siPHK фермент pol IVb вместе со специфичным для растений SWI2/SNF2-noflo6HbiM белком DRD1 формируют сигнал для метилирования ДНК (Kanno et al., 2005), возможно это делается в кооперации с AG04 (рис. 9.3в) (Chan et al., 2005). Пока не известно, действительно ли pol IVb транскрибирует РНК, ее главная роль состоит в формировании структуры хроматина, которая разрешает ДНК-метилтрансферазам катализировать de novo цитозиновое метилирование в определяемых siPHK сайтах. Хотя у других эукариот нет субъединиц pol IV, у делящихся дрожжей две субъединицы pol II, транскрибирующие предшественники мРНК, важны для направленного РНК образования гетерохроматина (главы 6 и 8).

Несмотря на то, что направленные на промотор siPHK могут индуцировать TGS в человеческих клетках, пока еще точно не ясно, сопровождается ли это заметным метилированием ДНК (Kawasaki et al., 2005; Ting et al., 2005). Многие белки, необходимые для RdDM у растений, найдены только у представителей растительного мира (рис. 9.3в). Таким образом, если RdDM и происходит регулярно у млекопитающих, его механизмы и белковые участники должны быть иными, чем у растений.

Многие транспозоны и повторяющиеся последовательности ДНК, включая наборы 5S рДНК и богатые транспозонами области гетерохроматина в хромосоме 4 Arabidopsis замалчиваются транскрипционно и метилируются по PHKi-направляемому механизму (Lippman and Martienssen, 2004; Chan et al., 2005). Эндогенные ДНК-мишени отражают естественную роль РНК-направляемого TGS в подавлении транспозиции и упаковке нуклеотидных повторов в гетерохроматине. Однако содержащие вставки транспозонов растительные гены могут сами по себе становиться мишенями направляемых PHKi сайленсинга и метилирования ДНК. Например, возникшие из транспозонов повторы в промоторе FWA гена цветка Arabidopsis служат мишенями для соответствующих siPHK (Lippman and Martienssen, 2004) и осуществляют замалчивание этого гена в вегетативных тканях, где его работа вовсе не нужна. У некоторых растений Arabidopsis элемент Ми в интроне FLC гена (репрессор цветения) делает этот ген доступным для репрессивных модуляций хроматина, направляемых siPHK, возникшими из диспергированных копий Ми (Liu et al., 2004). В результате сниженная экспрессия гена FLC может ускорять цветение, что может иметь адаптивное значение при определенных условиях среды. Поскольку многие растительные гены имеют транспозонные вставки в области или поблизости от промоторов или в интронах, такая регуляция генной активности может быть довольно распространенной в мире растений. Чем больше мы узнаем об эпигенетической регуляции, тем все более подтверждается идея Барбары МакКлинток о том, что транспозоны действуют как контрольные элементы хозяйских генов и развития (McClintock, 1956).

4. Эпигенетическая регуляция без участия РНК

Несмотря на специфичность действия маленьких РНК, они все же не обеспечивают все эпигенетические модификации у растений. Например, МОМ белок с частичным SNF2 доменом не участвует в PHKi-направляемом TGS. Также нет и доказательств того, что у растений PcG белки направляются к своим генам-мишеням маленькими РНК. Другие типы сигналов такие, как гомологичное спаривание нетранскрибируемых повторов или специфические нуклеотидные последовательности, могли бы обусловливать образование гетерохроматина и привлекать ДНК-метилтрансферазы. Например, вся описанная PHKi машинерия не нужна для метилирования ДНК и гистонов у гриба Neurospora, у которого ТА-богатые сегменты служат предпочтительными мишенями для модификации (глава 6). Более того, у делящихся дрожжей существуют пути образования гетерохроматина, независимые от PHKi (главы 6 и 8).

Не известно, вовлечена ли PHKi в такой необычный феномен, как парамутирование. Парамутирование происходит, когда некоторые аллели, называемые парамутагенными, накладывают эпигенетический отпечаток (импринт) на восприимчивые (парамутабельные) аллели. Эпигенетический импринт наследуется через мейоз и сохраняется даже после того, как две взаимодействующие аллели сегрегируют в потомстве. Парамутирование — нарушение правила Менделя, согласно которому аллели сегрегируют неизменными. Парамутирование впервые наблюдали десятки лет назад у кукурузы и томатов, однако его механизм(ы) оставался неизвестным. Подобный парамутированию феномен недавно наблюдали у млекопитающих. Значит, это явление не является уникальным, свойственным только лишь представителям растительного царства (Chandler and Stam, 2004). Локус В у кукурузы — один из наиболее изученных случаев парамутирования, примерно на расстоянии в 100 т.о. от старта транскрипции он содержит серии прямых повторов, которые неизвестным пока образом участвуют в парамутировании. Хотя при этом нельзя полностью исключать базирующийся на РНК сайленсинг, рассматриваются и некие альтернативные механизмы парамутирования, основанные на спаривании аллелей (Stam and Mittelsten Scheid, 2005).

5. Перспективы

В этой главе мы рассмотрели то, что известно об основных эпигенетических закономерностях у растений и как они соотносятся с эпигенетической регуляцией у других организмов. Несомненно, некоторые черты эпигенетического контроля у растений и других организмов довольно сходны, однако в ходе эволюции растения выработали свои специфические особенности и инновации. Это связано с уникальными аспектами развития растений и их экстраординарной способностью выживать и успешно размножаться в непредсказуемых условиях среды.

Среди всех специфичных инноваций у растений четко выделяется врожденная система обратимых эпигенетических модификаций, которые, по-видимому, играют ключевую роль в пластичности развития и адаптивности растений. Способность к индукции или стиранию репрессивных модификаций в неделящихся клетках, во-первых, с использованием RdDM и модификаций гистонов и, во-вторых, благодаря активности ДНК-гликозилаз DME и ROS1 позволяет осуществлять эпигенетическое репрограммирование без нарушения циклов репликации ДНК. Довольно простое стирание эпигенетических маркеров с растительного генома, по-видимому, и определяет относительную простоту клонирования целого растения из единичной соматической клетки. Тем не менее, индукция и удаление эпигенетических маркеров не являются совершенными и униформными у индивидуального растения, которое и формирует эпигенетическую вариабельность в популяциях клонированных предполагаемых генетически идентичных растений. Такая сомаклональная изменчивость может быть использована в селекции растений.

Аналогичным образом дифференциальное наследование эпигенетических свойств при половом размножении может приводить к эпигенетической вариабельности природных популяций. Отбор может действовать на эту вариабельность путем фиксации специфических эпиаллелей, которые могут иметь адаптивное значение. Как было описано, в процессе яровизации сигналы среды могут вызывать эпигенетические модификации в растении и изменять его физиологические ответы. Таким образом, растения могут «заучить», какие в клетках меристемы побега изменения, вызванные средой и стрессом, попадут в зародышевую линии и являются адаптивными. Определение всего набора условий, при которых эпигенетические изменения возникают спонтанно или запрограммированно, выявит много нового относительно биологических функций модификаций. Расшифровка механизмов мейотического наследования эпигенетических маркеров у растений в конечном счете позволит ученым манипулировать ими для совершенствования сельскохозяйственных культур и садоводства. В ответ на изменения среды, под влиянием эволюции и селекции растения претерпели многие генетические изменения. Полиплоидизация и гибридизация могут вносить большой вклад в эпигенетические изменения благодаря пока еще плохо изученным процессам геномного шока, ответа на необычный стресс, приводящий к обширной мобилизации транспозонов (McClintock, 1983) Происхождение гетерозиса, природа значительного превосходства гибридов по сравнению с исходными родительскими линиями, пока еще остаются неизвестными, однако, по-видимому, в это вовлечены эпигенетические изменения, вызванные комбинацией двух относительно родственных, но определенно разных геномов Подобным образом, полиплоидизация объединяет и (или) преумножает целые геномы с бесчисленными возможностями для эпигенетических изменений. Изучение эпигенетических последствий полиплоидизации у растений может помочь понять и нашу собственную эволюционную историю, которая включает в себя дупликации двух целых геномов (Furlong and Holland, 2004). Ясно, что даже на сегодняшнем уровне знаний, эпигенетика растений — «кудесников эпигенетической регуляции» может быть весьма информативной для биологии человека.

Литература

Adams K.L. and Wendel J.F. 2005. Polyploidy and genome evolution in plants. Curt. Opin. Plant Biol. 8: 135-141.

Alleman M and Doctor J. 2000. Genomic imprinting in plants: Observations and evolutionary implications. Plant Mol. Biol. 43: 147-161.

Allen E., Xie Z., Gustafson A.M., and Carrington J.C. 2005. mi-croRNA-directed phasing during trans-acting siRNA biogenesis in plants. Cell 121: 207-221.

Amedeo P., Habu Y., Afsar K., Mittelsten Scheid O., and Paszkowski J. 2000. Disruption of the plant gene MOM releases transcriptional silencing of methylated genes. Nature 405: 203-206.

Autran D., Huanca-Mamani W., and Vielle-Calzada J.P. 2005. Ge nomic imprinting in plants: The epigenetic version of an Oedipus complex. Curr. Opin. Plant Biol. 8: 19-25.

Axtell M.J. and Bartel D.P. 2005. Antiquity of microRNAs and their targets in land plants. Plant Cell 17: 1658-1673.

Bartel D.P. 2004. MicroRNAs: Genomics, biogenesis, mechanism, and function. Cell 116: 281-297.

Baulcombe D.C. 2004. RNA silencing in plants. Nature 431: 356-363.

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

Baumbusch L.O., ThorstensenT., Krauss V., Fischer A., Naumann K., Assalkhou R., Schulz 1., Reuter G., and Aalen R.B. 2001. The, Arabidopsis thaliana genome contains at least 29 active genes encoding SET domain proteins that can be assigned to four evo-lutionarily conserved classes. Nucleic Acids Res. 29: 4319-4333.

Burch-Smith T.M., Anderson J.C., Martin G.B., and Dinesh-Kumar S. P. 2004. Applications and advantages of virus-induced gene silencing for gene function studies in plants. Plant J. 39: 734-746.

Carmell M.A., Xuan Z., Zhang M.Q., and Flannon G.J. 2002. The Arg-onaute family: Tentacles that reach into RNAi, developmental control, stem cell maintenance, and tumorigenesis. Genes Dev. 16: 2733- 2742.

Chan S.W.-L., Henderson I.R., and Jacobsen S.E. 2005. Gardening the genome: DNA methylation in Arabidopsis thaliana. Nat. Rev. Genet. 6: 351-360.

Chandler V.L., and Stam M. 2004. Chromatin conversations: Mechanisms and implications of paramutation. Nat. Rev. Genet. 5: 532-544.

Chandler V.L., Eggleston W.B., and Dorweiler J.E. 2000. Paramutation in maize. Plant Mol. Biol. 43: 121-145.

Choi Y., Gehring M., Johnson L., Hannon M., Harada J.J., Goldberg R.B., Jacobsen S.E., and Fischer R.L. 2002. DEMETER, a DNA gly-cosylase domain protein, is required for endosperm gene imprinting and seed viability in Arabidopsis. Cell 110: 33-42.

Cubas P., Vincent C, and Coen E. 1999. An epigenetic mutation-responsible for natural variation in floral symmetry. Nature 401: 157-161.