Эпигенетика: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Therrien M., Morrison D.K., Wong A.M., and Rubin G.M., 2000. A genetic screen for modifiers of a kinase suppressor of Ras-dependent rough eye phenotype in Drosophila. Genetics 156: 1231-1242.

Versteege I., Sevenet N., Lange J.. Rousseau-Merck M.F., Ambros P., Handgretinger R., Aurias A., and Delattre O., 1998. Truncating mutations of hSNF5/INIl in aggressive paediatric cancer. Nature 394: 203-206.

Vignali M., Hassan A.H., Neely K.E., and Workman J.L., 2000. ATP-dependent chromatin-remodeling complexes. Mol Cell Biol., 20: 1899-1910.

Wang W., Cote J., Xue Y., Zhou S., Khavari P.A., Biggar S.R., Muchardt C., Kalpana G.V., Goff S.P., Yaniv M., et al., 1996. Purification and biochemical heterogeneity of the mammalian SWI-SNF complex. EMBO J. 15: 5370-5382.

White house I., Stockdale G., Flaus A., Szczelkun M.D., and Owen-Hughes T., 2003. Evidence for DNA translocation by the ISWI chromatin-remodeling enzyme. Mol. Cell. Biol. 23: 1935-1945.

Wysocka J., Swigut T., Milne T.A., Dou Y., Zhang X., Burlingame A.L., RoederR.G., Brivanlou A.H., and Allis C.D., 2005. WDR5 associates with histone H3 methylated at K4 and is essential for H3 K4 methylation and vertebrate development. Cell 121: 859-872.

Yokoyama A., Wang Z., Wysocka J., Sanyal M., Aufiero D.J., Kitabayashi I., Herr W., and Cleary M.L., 2004. Leukemia protooncoprotein MLL forms a SET 1-like histone methyltransferase complex with menin to regulate Hox gene expression. Mol. Cell Biol. 24: 5639-5649.

Yu B.D., Hanson R.D., Hess J.L., Homing S.E., and Korsmeyer S.J., 1998. MLL, a mammalian trithorax-group gene, functions as a transcriptional maintenance factor in morphogenesis. Proc. Natl Acad. Sci. 95: 10632-10636.

Yu B.D., Hess J.L., Horning S.E., Brown G.A., and Korsmeyer S.J., 1995. Altered Hox expression and segmental identity in M/-mutant mice. Nature 378: 505-508.

Глава 14. Эпигенетическая регуляция хромосомного наследования

Gary Н. Karen¹ и R. Scott Hawley²

1Lawrence Berkeley National Laboratory, Department of Genome Biology, University of California at Berkeley, Department of Molecular and Cell Biology, Berkeley, California 94720 2Stower Institute for Medical Research, Kansas City, Missouri 64110and Department of Phisiology, University of Kansas Medical Center, Kansas City, Missouri 66160

Общее резюме

Удвоение и передача генетической информации выполняются двумя типами клеточного деления, митозом и мейозом, которые оба являются фундаментальными для жизни и эволюции. Митоз — это ядерное деление, происходящее в соматических клетках, включающее идентичное разделение в дочерние клетки дуплицированного генетического материала в форме хромосом. Мейоз — это редукционное ядерное деление, происходящее только в зародышевых клетках многоклеточных организмов или на определенных стадиях жизненного цикла одноклеточных, чтобы произвести клетки с гаплоидным геномом перед оплодотворением (или конъюгацией у некоторых эукариот). Аномальная репликация или репарация ДНК приводит к мутациям и хромосомным перестройкам. Вероятно, более важно, что неправильная сегрегация хромосом в ходе ядерного деления вызывает утерю или приобретение целых хромосом (анеуплоидия). Эти типы «геномной нестабильности» влияют на жизнеспособность клеток и фертильность эукариот. Более того, они играют ключевую роль в этиологии врожденных дефектов и рака у человека.

Ранние исследования позволяли предполагать, что нуклеотидная последовательность ДНК играет преобладающую роль в определении сайтов и функций хромосомных элементов, необходимых для собственно митоза и мейоза, таких как «ориджины» репликации ДНК, сайты прикрепления веретена (центромеры и кинетохоры), концы хромосом (теломеры) и сайты мейотического спаривания. Однако в последнее десятилетие мы пришли к пониманию того, что эпигенетические механизмы могут регулировать многие ключевые функции, необходимые для стабильности генома наследования хромосом. К ним относятся роли в инициации репликации ДНК, репарации и рекомбинации ДНК, защиты концов хромосом (теломеры), движения хромосом (центромеры) и сегрегации гомологичных хромосом в мейозе. На первый взгляд, эпигенетическая регуляция оказывается в противоречии с тем фактом, что эти хромосомные функции существенны для изменчивости клеток и организмов, что означает, что они должны быть «зашиты» в нуклеотидной последовательности ДНК. Однако при взгляде сквозь «очки эволюции» эпигенетическая «пластичность» хромосом в ходе митоза и мейоза оказывается важной для компенсации тех типов изменений нуклеотидной последовательности и хромосомных перестроек, которые связаны с видообразованием. Понимание молекулярных основ эпигенетического регулирования наследственности является фундаментальным для выяснения этих основных биологических процессов и для диагностики и лечения болезней человека.

1. Введение

1.1. Как осуществляется хромосомная наследственность?

Митоз является основным типом клеточного деления, который производит идентичные, диплоидные дочерние клетки и используется соматическими клетками и премейотическими зародышевыми клетками (рис. 14.1а). В митотическом клеточном цикле выделяют четыре фазы, называемые Gj (gap 1, стадия «покоя» после митоза), S (synthesis — репликация ДНК и экспрессия генов), G₂ (gap 2, «покой» после S, подготовка к митозу) и М (mitosis, состоящий из профазы, метафазы, анафазы и телофазы). Во время S-фазы ДНК реплицируется, и дуплицированные сестринские хроматиды удерживаются вместе за счет установления когезии. В начале митоза хромосомы конденсируются, а гистон H3 становится фосфорилированным по Ser-10 (H3S10ph) (глава 10). Кроме того, у большинства организмов единичный сайт (центромера) на каждый сестринской хроматиде формирует структуру, называемую кинетохором, которая опосредует прикрепление микротрубочки веретена и служит в качестве «контрольной точки» (checkpoint) клеточного цикла (рис. 14.1а). В прометафазе пары сестринских хроматид собираются в метафазную пластинку и в анафазе расходятся к полюсам. Эти движения совершаются как за счет активности связанных с кинетохором микротрубочковых моторов (кинезинов и динеинов) и регуляции сборки и разборки микротрубочек, а также требуют разрушения когезии сестринских хроматид при переходе из метафазы к анафазе.

Мейоз происходит только в зародышевых клетках и характеризуется одним раундом репликации, за которым следуют два деления (мейоз 1 и И, рис. 14.16); это дает гаплоидные яйцеклетки в женской зародышевой линии и гаплоидные спермин в мужской зародышевой линии многоклеточных животных, а не диплоидные дочерние клетки. В мейозе I реплицированные гомологи спариваются и расходятся вместе. Сестринские хроматиды каждого гомолога не расходятся друг с другом до мейоза II. Для нормальной сегрегации во время мейоза требуется частая рекомбинация между гомологами, а также специальная когезия в центромерном районе, которая обеспечивает ассоциацию сестринских хроматид во время мейоза I (Watanabe, 2005).

1.2. Какие элементы требуются для хромосомной наследственности?

И митотические, и мейотические клеточные деления нуждаются в активности специфических хромосомных элементов и связывающихся белков для выполнения точной дупликации генома и расхождения хромосом (рис. 14.2).

Рис. 14.1. Стадии митоза и мейоза

^{(а) Микрофотографии клеток Drosophila показывают поведение хромосом (синий цвет, описание см. ниже), микротрубочек (зеленый цвет) и центромер (красный цвет) в интерфазе и митозе, (б) Поведение хромосом показано для профазы мейоза I у кукурузы; это стадия, на которой происходят спаривание гомологов, синапсис и рекомбинация (микрофотографии предоставлены Hank Bass и Shaun Murphy, Университет штата Флорида). Ключевые функции хромосом на каждой стадии показаны внизу (синим шрифтом). Впоследствии, в анафазе мейоза 1, гомологи расходятся к противоположным полюсам, завершая редукционное деление. Сестринские хроматиды разделяются лишь во время мейоза II (рис. 14.9)}

Репликация ДНК начинается в «ориджинах» [точках начала репликации], которые у большинства эукариот не строго зависят от нуклеотидной последовательности (обсуждается в разделе 2 этой главы). В митотически делящихся клетках сцепление сестринских хроматид становится затем видимым по всей длине этих хроматид, хотя в перицентромерном гетерохроматине концентрация когезинов более высокая. Центромеры — это большие участки, состоящие из ДНК и специальных белков хроматина, которые служат в качестве фундамента для формирования кинетохора и играют ключевую роль в прикреплении веретена и нормальной сегерегации мейотических и митотических хромосом (обсуждается в разделе 3 этой главы). У большинства эукариот имеется одна и только одна центромера на хромосому. Утрата центромеры приводит к нарушениям в прикреплении веретена и к утере хромосом, а присутствие более чем одной центромеры ведет к прикреплению одной и той же хроматиды к обоим полюсам, что вызывает образование хромосомных мостов и фрагментацию в анафазе. Изредка организмы (например, круглый червь Caenorhabditis elegans) содержат «полицентрические», или «голоцентрические» хромосомы, в которых кинетохоры присутствуют во многих районах (см., например, рис. 13.5). Такие хромосомы используют специальные механизмы для обеспечения прикрепления и расхождения сестринских хроматид к противоположным полюсам. Теломеры — это специализированные хроматиновые структуры, находящиеся на концах хромосом для защиты их от деградации или рекомбинации и для обеспечения полной дупликации ДНК. Для мейотической сегрегации требуются также центромеры, теломеры, сцепление (когезия) и «ориджины» репликации. Однако для обеспечения спаривания гомологов и их расхождения в мейозе I необходимы некоторые дополнительные элементы и изменение поведения центромер (обсуждется в разделе 4 этой главы).

Рис. 14.2. Элементы хромосомной наследственности

^{Диаграмма показывает элементы хромосомы, существенные для нормальной дупликации («ориджины» репликации) и наследования (центромеры, сцепление, теломеры) в митозе и мейозе. Для нормального расхождения хромосом в мейозе требуются также сайты спаривания гомологов (не показаны) и, в большинстве случаев, рекомбинация}

Сама природа хромосомной наследственности предполагает, что спецификация и локализация элементов наследственности должны быть «зашиты» в нуклеотидной последовательности ДНК. Поэтому вызывает удивление, что многие элементы, в том числе перечисленные в этом разделе, вместо этого регулируются эпигенетически, особенно у многоклеточных эукариот Говоря коротко, элементами, предрасположенными к эпигенетической регуляции для обеспечения надежной хромосомной наследственности, являются «ориджины» репликации ДНК, теломеры, сайты сцепления (когезии) сестринских хроматид и сайты спаривания гомологов.