Эпигенетика: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Были предложены различные типы механизмов воспроизведения, которые зависели не от модифицированных, а от вариантных гистонов (Ahmad and Henikoff, 2002; McKittrick et al., 2004). Гистон H3 включается в хроматин только во время репликации ДНК. Напротив, вариант этого гистона, H3.3, отличающийся от H3 четырьмя аминокислотами, включается в нуклеосомы не зависящим от репликации образом и имеет тенденцию накапливаться в активном хроматине, где он обогащается «активными» модификациями гистонов (McKittrick et al., 2004). Предположили, что для поддержания активного состояния достаточно присутствия H3.3 и что после репликации остается достаточно H3.3 для поддержания активного состояния, хотя он и разбавляется вдвое. Последующая транскрипция приводила бы к замещению нуклеосом, содержащих H3, вариантом H3.3, воспроизводя таким образом это активное состояние в следующем поколении.

6. Все механизмы взаимосвязаны

В этих моделях в конечном счете начала замыкаться связь между модифицированными или вариантными гистонами, активацией специфических генов и эпигенетикой, хотя, конечно, многое еще остается сделать. В то время как эти механизмы дают нам какие-то представления о том, как состояние гетерохроматина может поддерживаться, они не объясняют, каким образом структуры «молчащего» хроматина устанавливаются впервые. Лишь недавно стало ясно, что это связано с продукцией РНК-транскриптов, особенно с повторяющихся последовательностей, которые подвергаются процессингу в малые РНК благодаря действию таких белков, как Dicer, Argonaute и РНК-зависимая РНК-полимераза. Впоследствии эти РНК рекрутируются в гомологичные сайты ДНК как часть комплексов, включающих компоненты группы белков Polycomb, инициируя таким образом формирование гетерохроматина. Сейчас имеются также данные о том, что для поддержания по крайней мере некоторых гетерохроматиновых районов требуются те же механизмы. В известном смысле эти устойчивые циклические цепи реакций напоминают предложенную Дельбрюком модель 50-летней давности — модель устойчивого биохимического цикла, поддерживающего данное состояние организма.

Рис. 2.1. Механизмы поддержания паттерна метилирования ДНК и модификаций гистонов в ходе репликации ДНК

^{(а) механизм поддержания паттерна метилирования ДНК в ходе репликации ДНК. Во время репликации отдельные нити ДНК, со специфическим паттерном метилирования в остатках CpG или CpXpG, спариваются с нитью вновь синтезированной, неметилированной ДНК. CpG на одной нити имеет соответствующий CpG на другой. Поддерживающая ДНК-метилтрансфераза распознает полуметилированный сайт и метилирует цитозин на новой нити, так что паттерн метилирования не нарушается; (б) общий механизм для поддержания модификаций гистонов в ходе репликации. Модифицированный гистоновый «хвост» (m) взаимодействует с белком-связкой (pb — a protein binder), имеющим сайт связывания, специфичный для данной модификации, pb. в свою очередь, имеет специфический сайт для энзима (е), который выполняет эту модификацию гистона, т. е. в свою очередь, может затем модифицировать соседнюю нуклеосому. Во время репликации вновь откладывающиеся гистоны, которые перемежаются с родительскими гистонами, могут таким образом приобретать данную родительскую модификацию. Сходный механизм мог бы обеспечить воспроизведение, распространение модификаций гистонов с модифицированного на немодифицированный участок на любой стадии клеточного цикла}

Мы знаем теперь бесчисленные примеры эпигенетических механизмов, работающих в организме. Кроме импринтинга во многих локусах и описанной выше аллель-специфичной и случайной инактивации Х-хромосомы существуют эпигенетические явления, связанные с экспрессией антител, где селективно подавляется перестройка генов иммуноглобулина в одной хромосоме, и с выбором для экспрессии генов рецепторов индивидуальных одорантов в обонятельных нейронах (Chess et al., 1994; Shykind et al., 2004). У Drosophila гены группы Polycomb ответственны за установление домена «молчащего» хроматина, который поддерживается на протяжении всех последующих клеточных делений. Эпигенетические изменения отвечают также за парамутации у растений, при которых одна аллель может вызывать наследуемое изменение в экспрессии гомологичной аллели (Stam et al., 2002). Это пример эпигенетического состояния, которое наследуется как митотически, так и мейотически — феномен, хорошо документированный у растений, но лишь изредка встречающийся у животных (Jorgensen, 1993). Значительная часть доказательств существования описанных выше механизмов получена в работах по сайленсированию локуса типа спаривания и центромерных последовательностей у Schizosaccharomyces pombe (Hall et al., 2002). Кроме того, было показано, что структура конденсированного хроматина, характерная для центромер у таких разных организмов, как мухи и люди, может быть передана через ассоциированные с центромерой белки, а не через нуклеотидную последовательность ДНК. Во всех этих случаях нуклеотидная последовательность ДНК остается интактной, но ее способность к экспрессии подавляется. Весьма вероятно, что во всех случаях это опосредуется метилированием ДНК, модификациями гистонов или обоими этими механизмами; в некоторых случаях мы уже знаем, что это действительно так. Наконец, представление об эпигенетической передаче кортикальных «паттернов», описанных выше для парамеций, распространилось теперь на прионные белки, которые поддерживают и воспроизводят свое альтернативное состояние фолдинга в дочерних клетках

Хотя все это было представлено в виде последовательного рассказа, более правильным был бы взгляд на эти события, как на ряд параллельных и перекрывающихся попыток определить и объяснить эпигенетические явления. Определение термина «эпигенетика» изменилось, но вопросы относительно механизмов развития, поставленные более ранними поколениями ученых, остались прежними. Современная эпигенетика все еще обращается к этим центральным вопросам. Семьдесят лет прошло с тех пор, как Меллер описал явление, называемое сейчас эффектом положения мозаичного типа. Доставляет удовольствие проследить этот медленный прогресс от наблюдения фенотипов, через элегантные генетические исследования, к современному анализу и решению проблем на молекулярном уровне. Вместе с этими знаниями пришло понимание того, что в действительности эпигенетические механизмы могут отвечать за значительную часть фенотипа сложных организмов. Как нередко случается, наблюдение, показавшееся вначале хотя и интересным, но, возможно, маргинальным по отношению к главным проблемам, оказывается центральным, хотя для осознания этого может понадобиться много времени.

Литература

Ahmad K. and HenikoffS. 2002. The histone variant H3. 3 marks active chromatin by replication-independent nucleosome assembly. Mol. Cell. 9: 1191–1200.

Allfrey V. G., Faulkner R., and Mirsky A. E. 1964. Acetylation and methylation of histones and their possible role in the regulation of RNA synthesis. Proc. Natl. Acad. Sci. 51: 786–794.

Avery O. T., MacLeod CM., and McCarty M. 1944. Studies on the chemical nature of the substance inducing transformation of pneumococcal types. J. Exp. Med. 79: 137–158.

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

Beisson J. and Sonnebom T. M. 1965. Cytoplasmic inheritance of the organization of the cell cortex in Paramecium aurelia. Proc. Natl. Acad. Sci. 53: 275–282.

Bell A. C. and Felsenfeld G. 2000. Methylation of a CTCF-dependent boundary controls imprinted expression of the lgf2 gene. Nature 405: 482–485.

Bird A. P. 1978. Use of restriction enzymes to study eukaryotic DNA methylation. II. The symmetry of methylated sites supports semi-conservative copying of the methylation pattern. J. Mol. Biol. 118: 49–60.

Bird A. P. and Southern E. M. 1978. Use of restriction enzymes to study eukaryotic DNA methylation. I. The methylation pattern in nbosomal DNA from Xenopus laevis. J. Mol. Biol. 118: 27–47.

Bonner J., Huang R. C., and Gilden R. V. 1963. Chromosomally directed protein synthesis. Proc. Natl. Acad. Sci. 50: 893–900.

Briggs R. and King T. J. 1952. Transplantation of living nuclei from blastula cells into enucleated frogs’ eggs. Proc. Natl. Acad. Sci. 38: 455–463.

Brownell J. E., Zhou J., Ranalli T, Kobayashi R., Edmondson D. G., Roth S. Y., and Allis C. D. 1996. Tetrahymena histone acetyltransferase A: A homolog to yeast Gcn5p linking histone acetylation to gene activation. Cell 84: 843–851.

Cattanach B. M. and Kirk M. 1985. Differential activity ol maternally and paternally derived chromosome regions in mice. Nature 315: 496–498.

Cedar H. and Felsenfeld G. 1973. Transcription of chromatin in vitro J. Mol. Biol. 77: 237–254.

Chess A., Simon I., Cedar H., and Axel R. 1994. Allelic inactivation regulates olfactory receptor gene expression. Cell 78: 823–834.

Clark R. J. and Felsenfeld G. 1971. Structure of chromatin. Nat. New Biol. 229: 101–106.

Doskocil J. and Sorm F. 1962. Distribution of 5-methylcytosine in pyrimidine sequences of deoxyribonucleic acids. Biochim. Biophys. Acta 55: 953–959.

Durrin L. K., Mann R. K., Kayne P. S., and Grunstein M. 1991. Yeast histone H4 N-terminal sequence is required for promoter activation in vivo. Cell 65: 1023–1031.

Grimes G. W. and Aufderheide K. J. 1991. Cellular aspects of pattern formation: The problem of assembly. Monogr. Dev. Biol. 22: 1-94.

Hall I. M., Shankaranarayana C. D., Noma K., Ayoub N., Cohen A., and Grewal S. I. 2002. Establishment and maintenance of a heterochromatin domain. Science 297: 2215–2218.

Hannah A. 1951 Localization and function of heterochromatin in Drosophila melanogaster. Adv. Genet. 4: 87-125.

Hark A. T., Schoenherr C. J., Katz D. J., Ingram R. S., Levorse J. M., andTilghman S. M. 2000. CTCF mediates methylation-sensitive enhancer-blocking activity at the H19/Igf2 locus. Nature 405: 486–489.