Эпигенетика: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Рекрутирование PRC2 к неактивной Х-хромосоме, по-видимому, зависит от РНК Xist. Поскольку связь PRC2 с неактивной X лишь временная, оказывается, что этот комплекс необходим лишь для установления эпигенетических меток (т.е. H3K27me3), чтобы поддерживать сайленсинг. В настоящее время неизвестно, узнает ли PRC1 эти метки непосредственно и требуется ли он для перманентного сайленсинга неактивной Х-хромосомы, но компоненты PRC1 оказываются связанными с неактивной Х-хромосомой. Однако известно, что метилирование ДНК сопровождает фазу поддержания и необходимо для перманентной инактивации X.

PRC2 специфически участвует в регуляции моноаллельной экспрессии Х-хромосомы как у эмбриона, где инактивация Х-хромосомы является случайной, так и в экстраэмбриональных тканях, где всегда инактивирована Х-хромосома, унаследованная от отца (инактивация импринтированной Х-хромосомы). Кроме того, недавно было обнаружено, что PRC2 участвует в регуляции некоторых аутосомных импринтированных генов. Например, анализ 14 импринтированных локусов из шести несцепленных импринтированных кластеров показал, что четыре из них биаллельно экспрессировались у мутантных по eed мышей (Mager et al., 2003; дополнительные детали см в главе, 19). Интересно, что все локусы, утратившие импринтированную экспрессию, были нормально репрессированы, когда наследовались от отца, тогда как ни один из локусов, репрессированных по материнской линии, не был затронут Поскольку недавно было показано, что Ezh2 непосредственно взаимодействует с метилтрансферазами ДНК млекопитающих и требуется для их активности (Vim et al., 2006), не исключено, что PRC2 играет роль в регуляции этих импринтированных генов посредством метилирования ДНК (глава 18).

Об участии PRC2 в регуляции экспрессии импринтированных генов сообщалось и для Arabidopsis, где локус РНЕ1 экспрессируется на гораздо более высоких уровнях с отцовской аллели (КцЫег et al., 2005). У мутантов по МЕА, гомологу E(z), материнская аллель РНЕ1 специфически дерепрессирована. Аналогичным образом МЕЛ регулирует также свою собственную импринтированную экспрессию: на ранних стадиях репродуктивного развития материнская аллель МЕЛ сильно дерепрессирована у мутантов теа. Этот эффект, однако, не зависит от других компонентов комплекса FIS (Baroux et al., 2006). Напротив, на более поздних стадиях развития комплекс FIS обеспечивает стабильную репрессию отцовской аллели МЕЛ (Ваших et al., 2006; Gehring et al., 2006; Jullien et al., 2006). В этом последнем случае комплекс FIS участвует в сайленсинге репрессированных у отца импринтированных генов аналогично ситуации у млекопитающих. Кроме того, МЕЛ играет также роль в поддержании экспрессии материнских аллелей РНЕ1 и МЕА на низком уровне, как описано выше (рис. 11.4).

Поскольку компоненты PRC2 имеются у растений, беспозвоночных и млекопитающих, PRC2 представляет собой древний молекулярный модуль, годящийся для репрессии генов, который имелся уже у одноклеточного предка растений и животных, до развития многоклеточности. Таким образом, эти примеры позволяют предполагать, что PRC2 был мобилизован независимо для регуляции экспрессии импринтированных генов у растений и животных, в двух линиях, где возник геномный импринтинг (Grossniklaus, 2005).

4.2. Последствия аберрантной активации транскрипции

Обнаружение того, что миерегуляция Bmi1 вызывает злокачественные лимфомы у мышей, ставит вопрос о том, вносит ли BMI1 человека (являющийся компонентом PRC1) сам по себе вклад в развитие рака аналогичным образом. Накапливаются данные о том, что измененная экспрессия гена PcG широко распространена в злокачественных лимфомах человека (Raaphorst, 2005). Например, уровень сверхэкспрессии BMI1 в В-клеточных лимфомах коррелирует со степенью злокачественности, заставляя предполагать, что компоненты PRC1 играют-таки роль в развитии рака у человека. Однако гены-мишени BMI1 в клетках человека, по-видимому, отличаются от генов-мишеней в мышиных лимфоцитах, поскольку никакую очевидную даун-регуляцию pl6INK4a нельзя скоррелировать со сверхэкспрессией онкогенов.

Сверхэкспрессия гена PcG наблюдается не только при гематологических злокачественных новообразованиях, но обнаруживается и в солидных опухолях, в том числе в медуллобластомах и опухолях, происходящих из печени, прямой кишки, груди, легкого, пениса и простаты (рис. 11.8). Высокий уровень экспрессии Ezh2, маркера PRC2, часто обнаруживается на ранних стадиях высокопролиферативных легочных карцином. Это позволяет предположить, что хорошо известный каскад инициации PRC2 и поддержания PRC1 (рис. 11.5) мог бы также сопровождать развитие линии опухолевых клеток.

Рис. 11.8. PRC2 регулирует клеточную пролиферацию у млекопитающих и растений

^{(а, б) Зародыши растения, происходящие из яйцеклеток дикого типа и мутанта теа. МЕА кодирует белок комплекса FIS и регулирует клеточную пролиферацию. Гигантский зародыш mea гораздо крупнее соответствующего зародыша дикого типа на той же стадии развития (поздняя стадия «сердечка» — late heart stage). Мутантные зародыши развиваются меделеннее и имеют примерно вдвое большее число клеточных слоев. (в, г) Нормальный и раковый эпителий простаты. В раковом эпителии экспрессия Ezh2 сильно увеличена (метка антителом против Ezh2). Таким образом, как утрата Е(2)-функции у растений, так и сверхэкспрессия функции E(Z) у человека может приводить к дефектам в клеточной пролиферации. (д. е) Контрольные крысиные фибробласты 1а и фибробласты со сверхэкспрессией RING1. Сверэкспрессия RING1 приводит к независимому от заякоривания росту в мягком агаре, типичному для неопластически трансформированных клеток, (а,б, любезно предоставлено J.-P. Vielle-Calzada and U. Grossniklaus; в, г, перепечатано, с любезного разрешения, из Kuzmichev et al., 2005 [©National Academy of Sciences]; д, e, перепечатано, с любезного разрешения, из Satijn and Otte, 1999 [©American Society for Microbiology].)}

Интересно, что компоненты PRC2 играют также ключевую роль в контроле клеточной пролиферации у Arabidopsis. Хотя у растений аберрантный рост не приводит к раку и гибели, жесткий контроль клеточной пролиферации является существенным для нормального развития. У мутантов классаfis два продукта оплодотворения у цветковых растений, зародыш и эндосперм, пролиферируют избыточно, и получающиеся в результате семена абортируют (рис. 11.8) (Grossniklaus et al., 2001; Hsieh et al., 2003; Guitton and Berger, 2005). Влияние на клеточную пролиферацию наблюдается и у двойных мутантов elf и swn, двух гомологов E(z) у растений. Такие растения демонстрируют нормальное развитие семян после прорастания, но образуют массу пролиферирующей, недифференцированной ткани (каллус), а не листья (Chanvivattana et al., 2004).

Хотя и неизвестно, каким образом PRC2 контролирует клеточную пролиферацию у растений, вполне вероятно, что он должен взаимодействовать с RBR1, растительным гомологом ретинобластомного белка Rb (Ebel et al.. 2004; Mosquna et al., 2004). Мутанты в FIS-классе генов не только обнаруживают дефекты пролиферации в ходе развития семян после оплодотворения, но и необходимы для предотвращения пролиферации эндосперма в отсутствие оплодотворения. Этот последний аспект фенотипа является общим с мутантами rbr1 обеспечивая связующее звено с Rb-путем. Замечательно, что сообщалось также о связи между Rb-путем и PRC2 у млекопитающих (Bracken et al, 2003), что иллюстрирует консерватизм регуляторных сетей между растениями и млекопитающими.

4.3. Поддержание судьбы стволовой клетки

Стволовые клетки играют все возрастающую роль в медицине. Их возможность обеспечивать прогениторные клетки для заживления поврежденной ткани включает их в высокоценимый инструментарий регенеративной медицины. Неудивительно, что больше всего об идентичности и локализации стволовых клеток мы знаем на примере лучше всего охарактеризованной линии клеток крови.

Гематопоэтические стволовые клетки (HSCs) поддерживают пул клеток крови путем самообновления, а также производства дочерних клеток, которые дифференцируются в лимфоидные, миелоидные и эритроидные линии. Ниша стволовых клеток в костном мозге взрослого организма обеспечивает эти клетки специфическими внешними сигналами для поддержания их судьбы. С другой стороны, внутриклеточные сигналы для поддержания состояния «стволовости», базируются, по-видимому, на системе PcG.

Мутанты мышей с мутациями генов PRC 1 (например, bmi1/mel-18, mph1/rae28 и тЗЗ: см. табл. 11.1) страдают различными дефектами в гематопоэтической системе, такими как гиперплазия (т.е. увеличенная клеточная пролиферация) в селезенке и тимусе, уменьшение числа В- и Т-клеток и нарушенный пролиферативный ответ лимфоидных предшественников на цитокины. Потребность в Bmi1 и Mel-18 в процессе самообновления стволовых клеток на различных стадиях развития позволяет предполагать меняющийся пул генов-мишеней для эмбриональных и взрослых стволовых клеток.

Для нейральных стволовых клеток (NSCs) также необходима система PcG, как показывают дефекты нейронов, наблюдаемые у мутантов bmi1 мышей (Bruggeman et al., 2005; Zencak et al., 2005). В частности, в постнатальном периоде мыши лишены церебральных NSCs, показывая тем самым потребность в Bmi1 in vivo в процессе обновления NSCs. Как было обнаружено для гематопоэтической системы, поддержание эмбриональных NSCs находится, как оказывается, под контролем другой сети PcG, чем самообновление взрослых NSCs.

Внешние сигналы, подобные сигнальному каскаду sonic Hedgehog, модулируют ответ Bmi1 в NSCs и обеспечивают способность к пролиферации/самообновлению (Leung et al., 2004). Идентификация этих внешних сигналов, контролирующих репрессию PcG была достигнута посредством анализа развития прогениторов гранулярных нейронов мозжечка (CGNPs — cerebellar ganule neuron progenitors). Постнатальная волна пролиферации индуцируется сигнальным фактором Sonic hedgehog (Shh), секретируемым клетками Пуркинье. Сигнал Shh разветвляется и контролирует уровни N-Myc и Bmi1 (рис. 11.9). Таким образом, CGNPs с нехваткой Bmi1, демонстрируют дефектный пролиферативный ответ на стимуляцию Shh. Сигнал Shh способен в конечном счете контролировать пролиферацию этих стволовых клеток, модулируя и путь Rb «вниз по течению» (через N-myc и Bmi1/pl6INK4a), и путь р53 (через Bmi1/pl9ARF). Этот механизм объясняет, почему гиперактивация Shh-сигналинга ведет к развитию медуллобластом (Leung et al., 2004). HSCs регулируются сходным путем, контролируемым Indian hedgehog. У NSCs экспрессия локусов Hoxd8, Hoxd9 и Нохс9 находится под контролем Bmi1. Соответствующий профиль экспрессии НОХ сообщает стволовым клеткам необходимую судьбу.

Действительно, поскольку стволовые клетки представляют определенную и коммитированную клеточную судьбу, неудивительно, что система PcG поддерживает эту конкретную судьбу наследуемым в митозе образом. В будущем будет интересно идентифицировать пул мишеней системы PcG в различных популяциях стволовых клеток и выяснить, каким образом можно влиять на систему поддержания, чтобы сделать возможным контролируемое репрограммирование судьбы стволовых клеток. В данный момент неясно, играет ли PcG какую-либо роль в поддержании стволовых клеток у растений. Возможно, однако, что репрограммирование растительных клеток, которые являются тотипотентными и обладают потенциальной способностью образовывать, в соответствующих условиях, полный новый организм, могло бы включать регуляцию PcG. Действительно, растения, лишенные гомологов E(z), CLF и SWN, продуцируют, после прорастания, массу недифференцированных клеток; это позволяет предположить, что для поддержания дифференцированного состояния необходимы гены PcG (Chanvivattana et al., 2004).

Рис. 11.9. Сигналит Sonic Hedgehog поддерживает пролиферацию/ самообновление прогениторных клеток мозжечка

^{Сигнальный каскад Shh регулирует и путь Rb, и путь р53 через Bmi1-контроль контрольную точку пролиферации Р16/р19. Подавление Smoothened (Smoh) Shh-рецептором Patched (Ptch) приводит к сигналингу «вниз по течению» в ядре Одна часть этого сигнала индуцирует N-Myc, Cyclin D1 и D2, тогда как другая часть активирует Bmi1 через эффекторы Gli (адаптировано из Valk-Lmgbeek et al., 2004)}

5. Заключение и перспективы

Было замечательно проследить развитие наших представлений об эпигенетической регуляции PcG, начиная с первоначальной генетической идентификации мутанта Drosophila, обладающего дополнительными половыми гребешками на второй и третьей паре ног. Это в конечном счете привело к открытию нового класса регуляторов, которые, как оказалось, необходимы для таких фундаментальных эпигенетических процессов, как яровизация у растений и сайленсинг Х-хромосомы млекопитающих. Контроль генетической информации находится под сильным влиянием структуры хроматина и состава гистонов в их разнообразных модифицированных формах. Белки PcG непосредственно участвуют в генерации эпигенетических меток, например H3K27me3, вследствие «решений», принимаемых в ходе развития. Та же самая группа «считывает» эти эпигенетические метки (т.е. обнаруживает высокое сродство к ним) посредством действия белков PRC1 и транслирует их в стабильное, транскрипционно репрессированное состояние. У модельного организма Drosophila мы имеем относительно ясную картину того, как комплексы PcG заякорены в PREs для определенной группы генов-мишеней, подверженных долговременной репрессии. Однако до сегодняшнего дня не было идентифицировано никаких PREs у других организмов. Хотя основная функция белков PcG остается той же, неясно, какая часть геномов растений и позвоночных подвержена их репрессирующему действию и каким образом они «нацеливаются» на место их действия. Кроме того, нам нужно лучше понять, каким образом явно динамичная группа белков может навязывать стабильное состояние транскрипционной репрессии через химическое равновесие.

Другой важный вопрос в исследованиях PcG касается наследуемости репрессированного состояния, т.е. самого существа эпигенетики. Что представляет собой идентичность молекулярных меток, требующихся для передачи состояния экспрессии генов при репликации ДНК и митозе? Мы знаем, что активное или «молчащее» состояния экспрессии генов поддерживается совместным действием белков trxG и PcG. Нужны ли для обоих этих состояний соответствующие эпигенетические метки, передающиеся дочерним клеткам, или же достаточно лишь одной, тогда как другая представляет собой состояние «по умолчанию»? Механизм, посредством которого белки PcG навязывают сайленсинг на транскрипцию во время интерфазы клеточного цикла, становится все более ясным. В будущем исследование будет сосредоточено на том, каким образом информация относительно состояния экспрессии генов сохраняется в процессе репликации ДНК и надежно передается дочерним клеткам после митоза.

Литература

Akasaka T., van Lohuizen M., van der Lugt N., Mizutani-Koseki Y., Kanno M., Taniguchi M., Vidal M., Alkema M, BemsA., and Koseki H., 2001. Mice doubly deficient for the Polycomb Group genes Mel 18 and Bmi1 reveal synergy and requirement for maintenance but not initiation of HOXgene expression. Development 128: 1587-1597.

Ali J.Y. and Bender W., 2004. Cross-regulation among the Polycomb group genes in Drosophila melanogaster. Mol. Cell. Biol. 24: 7737-7747.

Ausin I., Alonso-Blanco C., Jarillo J.A., Ruiz-GarciaL., and Marti-nez-Zapater J.M., 2004. Regulation of flowering time by FVE, a retinoblastoma-associated protein. Nat. Genet. 36: 162-166.

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