Эпигенетика: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Zhang H., Roberts D.N., and Cairns B.R., 2005. Genome-wide dynamics of Htz1, a histone H2A variant that poises repressed/ basal promoters for activation through histone loss. Cell 123: 219-231.

Zhang Y. and Reinberg D., 2001. Transcription regulation by histone methylation: Interplay between different covalent modifications of the core histone tails. Genes Dev. 15: 2343-2360.

Zhu B., Zheng Y., Pham A.D., Mandal S.S., Erdjument-Bromage H., Tempst P., and Reinberg D., 2005. Monoubiquitination of human histone H2B: The factors involved and their roles in HOX gene regulation. Mol. Cell, 20: 601-611.

Глава 11. Транскрипционный сайленсинг, осуществляемый белками группы Polycomb

Ueli Grossniklaus¹ и Renato Paro²

1Institute of Plant Biology and Zurich-Basel Plant Science Center, University of Zurich, CH-8008 Zurich, Swizerland

2ZMBH, University of Heidelberg, D-69120 Heidelberg, Germany

Общее резюме

Органы человека, животных и растений сконструированы из большого набора разных клеточных типов, каждый из которых выполняет специальную физиологическую или структурную функцию За очень немногими исключениями все типы клеток содержат одну и ту же генетическую информацию, закодированную в их ДНК. Таким образом, отличие данного клеточного типа от других достигается посредством специфических программ экспрессии генов. Однако линии клеток нуждаются в том, чтобы поддерживать эти программы экспрессии генов в ходе своего роста и клеточного деления. Это предполагает существование системы памяти, обеспечивающей надежную передачу от материнской клетки к дочерним, информации о том, какой ген должен быть активным, а какой репрессированным. Существование такой системы иллюстрируется тем фактом, что культивируемые ткани растений и животных обычно поддерживают свои дифференцированные признаки даже при росте в чужеродной среде. Можно привести в качестве примера, что растения плюща обыкновенного, регенерировавшие после тканевой культуры, продуцируют тип листьев, соответствующий фазе развития, в которой была взята исходная ткань (т.е. ювенильный или взрослый лист).

Основной вопрос, рассматриваемый в этой и последующих главах, касается молекулярной идентичности факторов, вносящих вклад в механизм (или механизмы), поддерживающий детерминированные состояния в ряду многих клеточных делений (процесс, называемый «клеточной памятью» или «транскрипционной памятью»). Генетический анализ у Drosophila позволил идентифицировать регуляторы, играющие критическую роль в поддержании судьбы индивидуальных сегментов тела и детерминируемые действием генов НОХ. У самцов Drosophila первый торакальный сегмент имеет ноги с половыми гребешками. Ноги на втором и третьем торакальном сегменте не имеют этих структур (см. левую часть рисунка на титульной странице). В 1940-е годы у Drosophila были идентифицированы мутанты (Polycomb и extra sex comb), у которых самцы имели половые гребни на всех ногах (см. правую часть рисунка на титульной странице). Они соответствуют гомеотическим трансформациям идентичностей второй и третьей пары ног в идентичность первой пары ног. Генетические и молекулярные исследования показали, что эти мутации сами по себе не влияют на продукты самих генов НОХ\ скорее, они влияют на способ, которым активность генов НОХ контролируется пространственно. На протяжении ряда лет было идентифицировано большое число таких регуляторных генов, которые можно было разбить на две антагонистические группы — Poly comb (PcG) и trithorax (trxG). В то время как белки PcG необходимы для поддержания сайленсированного состояния регуляторов развития, таких как гены НОХ, белки trxG обычно участвуют в поддержании активного состояния экспрессии генов. Таким образом, белки PcG и trxG образуют молекулярную основу клеточной памяти.

Белки PcG и trxG организованы в крупные мультимерные комплексы, которые действуют на их гены-мишени, модулируя структуру хроматина. В этой главе мы делаем акцент на молекулярной природе и функции двух главных репрессивных комплексов группы Polycomb, PRC1 и PRC2; молекулярная природа комплексов trxG описывается в следующей главе. Комплексы PcG рекрутируются к генам-мишеням посредством нуклеотидной последовательности ДНК, называемой у Drosophila «Элементом ответа» PcG (PRE, PcG Response Element). Будучи рекрутированы, они устанавливают состояние «молчащего» хроматина, которое может наследоваться в ряду многих клеточных делений. Члены PRC2 консервативны у растений и животных, тогда как PRC1 присутствуют только у Drosophila и позвоночных. Это предполагает консерватизм, но и разнообразие в основных строительных блоках системы клеточной памяти. В дополнение к их функции в поддержании клеточных типов комплексы PcG могут также играть важную роль в пластичности стволовых клеток. Их дерегуляция может приводить к неопластической трансформации и раку у позвоночных. Таким образом, белки PcG играют ключевую роль во многих фундаментальных процессах нормального развития и заболеваний у многоклеточных эукариот.

1. Введение

Все многоклеточные организмы начинаются с одной клетки, зиготы, которая в ходе развития дает начало множеству различных клеточных типов со специализированными функциями. Это ставит перед нами проблему: каким образом, будучи однажды детерминированы, клеточные типы могут поддерживаться на протяжении многих клеточных делений, происходящих в различных фазах роста?

1.1. Концепция клеточной памяти

Взрослое животное обладает 200—300 структурно различными клеточными типами, тогда как растение — где-то между 30 и 40. Если принять во внимание сложные паттерны экспрессии генов, можно различить еще большее число разных клеточных популяций. Идентичность и функция данного клеточного типа определяются характерным для него профилем экспрессии генов, где соответствующие группы генов являются либо активными, либо «молчащими». В ходе развития и в состоянии гомеостаза взрослого организма критически важно помнить и надежно воспроизводить это состояние после каждого клеточного деления. Это особенно важно во время репликации генетического материала (фаза S) и расхождения хромосом в митозе (фаза М), которые являются событиями, повторяющимися в каждом клеточном цикле и прерывающими процессы экспрессии генов. Итак, каким же образом дифференциальные паттерны генной экспрессии могут поддерживаться от одного клеточного поколения до следующего?

Мы знаем из экспериментов, проделанных в 1960— 1970-е годы, что ткани растений и животных «помнят» свое детерминированное состояние даже после продолжительных пассажей в культуре (Hadom, 1968; Hackett et al., 1987). Хадорн и сотрудники показали что клетки имагинальных дисков, обнаруживаемых в личинках Drosophila, обладают присущей им клеточной памятью, что позволяет им помнить состояния детерминации, фиксированные в эмбриогенезе. Имагинальные диски — это кластеры эпителиальных клеток, обособливающиеся в развивающемся эмбрионе в качестве предшественников специфичных внешних структур и придатков во время метаморфоза. Например, из двух пар имагинальных дисков во втором торакальном сегменте одна образует среднюю пару ног, а другая — крылья (рис. 12.2). Имагинальные диски можно культивировать путем трансплантации в гемоцель взрослых самок, где они продолжают пролиферировать, но не дифференцируются. Когда такой диск пересаживают обратно в личинку перед началом метаморфоза, он в конечном счете дифференцируется в ожидаемые структуры взрослого организма даже после нескольких трансплантационных пассажей. Позже было показано, что для поддержания этого детерминированного состояния клеток имагинальных дисков необходимы белки PcG и trxG (рис. 11.1). Однако в описанных выше экспериментах с культивированием наблюдали, что в редких случаях имагинальный диск может изменить свою судьбу в результате процесса, названного трансдетерминацией. Этот процесс включает даун-регуляцию репрессии PcG сигнальным каскадом INK в трансдетерминированных клетках (рис. 11.2а, б) (Lee et al., 2005). Мутанты по PcG также имеют повышенную частоту трансдетерминации, что, опять-таки, говорит в пользу роли белков PcG в поддержании судьбы имагинальных дисков (Klebes et al., 2005). Таким образом, белки PcG, по-видимому, играют ключевую роль в репрограммировании клеточных судеб как в ходе нормального развития, так и в процессах регенерации (дополнительные детали см. в разделе 4 3 далее в этой главе).

1.2. Генетическая идентификация группы Polycomb

У всех многоклеточных передне-задняя ось специфицируется посредством определенных паттернов экспрессии генов НОХ (рис. 12.2). У Drosophila во время эмбриогенеза активность произведенных матерью (т.е. унаследованных через ооцит) и произведенных в зиготе транскрипционных факторов генерирует специфическую комбинацию экспрессии НОХ, необходимую для каждого сегмента. Этот сегмент-специфичный профиль активности генов НОХ поддерживается на протяжении всего развития мухи, спустя долгое время после того как исчезли регуляторы ранней транскрипции. Когда функция генов НОХ была охарактеризована генетически, были изолированы многие trans-действующие регуляторы. Среди них Пам и Эд Льюс (Lewis, 1978) идентифицировали и генетически проанализировали Polycomb (Рс). Гетерозиготные мутантные по Рс самцы имели дополнительные половые гребешки на второй и третьей паре ног, тогда как самцы дикого типа несли половые гребешки только на первой паре ног (см. рисунок на титульной странице этой главы). Гомозиготные мутанты были летальны на стадии эмбриона, демонстрируя трансформацию всех кутикулярных сегментов в направлении самого заднего абдоминального сегмента (рис. 11.2в, г). Эти классические фенотипы PcG были интерпретированы как обусловленные эктопической экспрессией генов НОХ. Таким образом, Рс и другие гены со сходными фенотипами были определены как репрессоры активности генов НОХ. Впоследствии детальный анализ позволил обнаружить, что белки PcG требуются лишь для поддержания репрессии НОХ, а не для установления активности НОХ в ходе формирования паттерна, специфичного по отношению к положению Эта последняя задача выполняется транскрипционными факторами, закодированными в рано действующих генах сегментации. На основе их репрессирующего или активирующего влияния на экспрессию генов НОХ эти вновь идентифицированные trans-действующие регуляторы были разделены на два антагонистических класса, PcG HtrxG, соответственно (рис. 11.1) (Kennison, 1995).

Рис. 11.1. Концепция клеточной памяти

^{Схема, иллюстрирующая участие комплексов PcG и trxG в детерминации активного и репрессированного состояний экспрессии генов и, тем самым, клеточной дифференцировки, которая поддерживается на протяжении многих клеточных делений: (ТА) транскрипционный активатор; (TR) транскрипционный репрессор}

Рис. 11.2. Гомеотические трансформации у PcG-мутантов разных видов

^{(а-г) Drosophila melanogaster, (д, е) Mus musculus, (ж, з) Arabidopsis thaliana. (а, б) Ножные имагинальные диски, претерпевающие трансдетерминацию, на что указывает экспрессия крыло-специфического гена vestigial (маркированного GFP). (в. г) Кутикулы эмбриона дикого типа (в) и мутанта Su(z)12 (г). У мутантного эмбриона Su(z)12 все абдоминальные, торакальные и несколько головных сегментов (не все из них видны в этой фокальной плоскости) гомеотически трансформированы в копии восьмого абдоминального сегмента благодаря нарушенной экспрессии гена Abd-B в каждом сегменте, (д, е) Осевой скелет новорожденных мышей дикого типа (д) и RinglA-/- (е) Вид торакальных районов очищенных скелетов, показывающий кости (красный цвет) и хрящ (синий цвет). Мутант обнаруживает переднюю трансформацию восьмых торакальных позвонков, на что указывает наличие восьми (1—8) вертебростернальных ребер вместо семи (1—7), как у дикого типа, (ж, з) Цветок дикого типа (ж) и мутанта clf-2 (з). Цветок дикого типа демонстрирует нормальное расположение чашелистиков, лепестков, тычинок и плодолистиков. У цветка clf-2 лепестки отсутствуют или число их уменьшено. (а.б, с любезно предоставлено N. Lee and R. Раго; в, г, перепечатка, с любезного разрешения, из Birve et al., 2001 [©Company of Biologists Ltd.]; д, e, перепечатка, с любезного разрешения, из del Маг Lorente et al., 2000 [©Company of Biologists Ltd.]; з, любезно предоставлено J. Goodrich)}

Молекулярное выделение генов PcG Drosophila сделало возможным изучение функции ортологов позвоночных у мышей, где они также оказались ключевыми регуляторами экспрессии генов НОХ (van der Lugt et al., 1994; Core et al., 1997). У млекопитающих мутации в генах PcG приводят к гомеотическим трансформациям позвонков (Рис. 11.2д, е). Кроме того, гены PcG играют ключевую роль в контроле клеточной пролиферации, поддержания стволовых клеток и рака (см. разделы 4.2 и 4.3 далее в этой главе). Замечательный консерватизм генов PcG у мух и млекопитающих облегчил биохимический анализ и привел к идентификации некоторых новых членов комплексов PcG, например белка RING 1 (Satijn and Otte, 1999). Направленная [targeted] мутация RING1 у мыши, например, привела к классической гомеотической трансформации фенотипа. Лишь впоследствии было обнаружено, что она соответствует гену Sex combs extra из группы PcG у Drosophila.

У двух других модельных организмов, а именно у червя Caenorhabditis elegans и цветкового растения Arabidopsis thaliana, молекулярная характеристика мутантов, изолированных в ходе разных генетических скринингов, выявила существование других ортологов белков PcG. У С. elegans члены группы PcG были идентифицированы в ходе скрининга на мутантов maternal effect sterile (mes), и было показано, что они участвуют в сайленсинге Х-хромосомы в зародышевой линии гермафродитов (Fong et al., 2002; глава 15).

У Arabidopsis гены PcG были идентифицированы в результате нескольких генетических скринингов при исследовании различных процессов развития (Hsieh et al/, 2003). Первый ген PcG у растений, CURLY LEAF (CLF), был идентифицирован как мутант с гомеотическими трансформациями органов цветка (рис. 11.2ж, з) (Goodrich et al., 1997). Мутации в генах класса FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED (FIS) были обнаружены в ходе скрининга на мутанты, обнаруживающие материнский эффект—недоразвитие семян (Grossniklaus et al., 1998) или допускающие некоторое развитие семян в отсутствие оплодотворения (Luo et al., 1999; Ohad et al., 1999). Наконец, гены PcG были идентифицированы в результате скрининга на мутанты по срокам цветения, например мутанты, зацветающие сразу после прорастания (Yoshida et al., 2001) или с нарушенной реакцией на яровизацию — процесс, делающий растения компетентными к цветению после продолжительного воздействия холодом (Gendall et al., 2001).

Разнообразие процессов, регулируемых белками PcG, иллюстрирует значение поддержания репрессированного состояния ключевых регуляторов развития у различных организмов. С одной стороны, имеет место удивительный консерватизм некоторых биологических функций от растений до млекопитающих, например, регуляции таких ключевых регуляторов развития, как гомеотические гены, или участия в жесткой регуляции клеточной пролиферации. С другой стороны, комплексы PcG оказываются гибкими и динамичными молекулярными модулями, которые используются для контроля большой группы клеточных процессов и процессов развития.

2. Установка меток сайленсинга на хроматин