Эпигенетика: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Ключевой вопрос для организмов с моноцентрическими хромосомами сводится к тому, каким образом один и только один сайт на хромосому ассоциируется с функцией центромеры (известной как «идентичность центромеры» — «centromere identity»). Здесь мы представим доказательства того, что у большинства эукариот идентичность и воспроизведение центромеры регулируются эпигенетически посредством структуры хроматина, а не специфическими нуклеотидными последовательностями ДНК (Carroll and Straight, 2006). Сводка этих ключевых данных включает следующие положения: (1) центромерные последовательности не являются консервативными даже у близкородственных видов и даже у хромосом одного какого-нибудь вида, (2) центромерная ДНК не является необходимой или достаточной для формирования кинетохора и (3) позиционирование центромеры на хромосоме обнаруживает удивительную пластичность в ходе эволюции.

3.1. Структура и функция центромеры у разных эукариот

Исследования, проведенные на дрожжах S. cerevisiae в 1980-е годы, привели к первому клонированию и анализу эукариотной центромеры. Было показано, что структура размером 125 п.н., присутствующая на всех 16 хромосомах S. cerevisiae, необходима и достаточна для нормального функционирования центромеры (Bloom et al., 1989); даже однонуклеотидные изменения в высококонсервативных элементах I и III приводили к полной утрате функции. Таким образом, идентичность и воспроизведение центромеры у этого одноклеточного эукариотического организма определяются нуклеотидной последовательностью ДНК.

Надежда на то, что аналогичные механизмы, базирующиеся на нуклеотидной последовательности, могли бы регулировать идентичность центромеры у других эукариот, впервые была развеяна исследованиями на другом «простом» эукариотическом организме, S. pombe. Центромерные последовательности у этих дробянковых дрожжей структурно более крупные и более сложные, чем у S. cerevisiae (Clarke et al., 1986; Nakaseko et al., 1987). Негомологичные последовательности «центрального кора» длиной 4—5 т.п.н., являющиеся сайтами формирования кинетохора, фланкированы инвертированными повторами различных классов, общими для трех хромосом. Минимум 25 т.п.н., содержащие неповторяющийся центральный кор, внутренние повторы и часть внешних повторов, абсолютно необходимы для функционирования центромеры и стабильной передачи хромосом (Baum et al., 1994). Достаточная центромерная функция наблюдается для трансфицированных плазмидных конструктов, несущих центральный кор плюс внутренние повторы (т.е. центральный домен) и два фланкирующих внешних повтора. Интересно, что делеция внутренних повторов нарушает расхождение сестринских хроматид в мейозе, демонстрируя тем самым, что центромерные районы играют роль в процессах, отличающихся от сборки кинетохора. Действительно, и кинетохор, и домены когезии тесно сцеплены и важны для правильного расхождения хромосом.

Хотя центромерные районы у многоклеточных эукариот даже больше и более сложные, чем у S. pombe (сотни или тысячи тысяч пар оснований повторяющихся ДНК), общая организация и функционирование центромер дробянковых дрожжей послужили превосходной моделью центромер у млекопитающих, растений и насекомых. Центромеры у этих организмов заключены в крупные гетерохроматиновые блоки, присутствующие на каждой хромосоме, которые преимущественно состоят из сателлитных ДНК (простые, короткие повторы) и транспозонов. Эти центромерные районы составлены из субдоменов, отвечающих за различные функции, прежде всего за формирование кинетохора и сестринскую когезию. Центромерные последовательности, однако, не консервативны у эукариот или даже у разных хромосом отдельного вида. Именно эпигенетический состав функциональных субдоменов центромеры демонстрирует консерватизм, особенно по составу гистоновых вариантов и паттернам модификаций гистонов, которые, по-видимому, регулируются эпигенетически

У нематоды С. elegans и у других видов голоцентрические хромосомы рекрутируют и собирают центромерные белки по всей длине хромосомы (Demburg, 2001). Специфические для червя последовательности не являются, очевидно, необходимыми, поскольку конкатемеры лямбда и ДНК многих других типов стабильно передаются. Белки рекрутируются «пакетами» [«bundles»] в профазе, но к метафазе распределяются ровным слоем на обращенной к полюсу поверхности хромосомных плеч, заставляя предполагать, что многие области генома С. elegans могут поддерживать сборку кинетохора в эпигенетическом режиме. Несмотря на очевидные различия с моноцентрическими хромосомами, возможно, что организационные и структурные атрибуты, такие как ЗБ-спирализация или выпетливание ДНК CEN, являются консервативными (см. раздел 3.3 далее в этой главе).

3.2. Центромерные последовательности не являются необходимыми или достаточными для формирования и функционирования кинетохора

Большая величина и сложность центромерных последовательностей у многоклеточных эукариот сделали затруднительным анализ потребностей в нуклеотидной последовательности ДНК с помощью определенных конструктов, столь успешно использовавшихся в исследованиях на дрожжах. Тем не менее, путем трансфекции клеток культуры ткани набором сателлитных ДНК были созданы с низкой частотой искусственные хромосомы человека (HACs), но они обнаружили высокий уровень митотической нестабильности (Rudd et al., 2003). Мы знаем, однако, что HACs образованы путем конкатемеризации введенных наборов сателлитов, и тем не менее некоторые альф?-сателлитные наборы не могут формировать сентромеры de novo, что заставляет предположить потребность в множественных, неизвестных этапах или факторах. Более недавние исследования показали, что уникальные свойства и компоненты иентромерного хроматина (как объясняется в разделе 3.3 далее в этой главе) имеются в HACs как в сателлитных наборах, так и в нецентромерных последовательностях (например, последовательностях плазмидного вектора и селектируемого маркера) (Lam et al., 2006). Таким образом, остается все еще неясным, насколько специфические последовательности ДНК достаточны для сборки и поддержания функциональных центромер человека.

Первое указание на то, что идентичность и воспроизведение центромер регулируются эпигенетически, было получено в исследованиях «минимальных» центромерных конструктций у S. pombe (Steiner and Clarke, 1994). Небольшая доля трансформантов, полученных с помощью конструктов, обнаруживала переключение с редуцированной центромерной функции к высоко «активному» центромерному функционированию (0,6 % клеток), что впоследствии могло воспроизводиться в линии на протяжении многих поколений. Таким образом, одни и те же нуклеотидные последовательности ДНК могут демонстрировать два функционально различных, наследуемых состояния, аналогично наблюдениям эпигенетических влияний на генную экспрессию при PEV (глава 5) или ТРЕ (глава 4).

Другие наблюдения заставляют предполагать главную роль эпигенетических механизмов в детерминации идентичности центромер и формировании кинетохоров у многоклеточных эукариот. Во-первых, нуклеотидные последовательности ДНК, в норме ассоциированные с центромерами, не достаточны для функционирования. Например, только подгруппа гетерохроматиновых сателлитных последовательностей мыши и человека связана с центромерной функцией (Lam et al., 2006). Кроме того, в функциональных хромосомах с двумя участками центромерных сателлитов (дицентрики), наблюдаемых у мух и у человека, один из этих участков теряет способность формировать кинетохор (Sullivan and Willard, 1998). Во-вторых, центромерные последовательности не являются необходимыми для формирования кинетохора, поскольку нецентромерная ДНК может приобретать и надежно воспроизводить центромерную функцию благодаря процессу, известному как «формирование неоцентромеры» (рис. 14.5а). У человека были идентифицированы многочисленные функциональные неоцентромеры, и анализ нуклеотидной последовательности показал, что эти новые районы формирования кинетохоров не приобрели сателлитных ДНК. Однако участки, фланкирующие новый кинетохор, приобрели эпигенетические свойства, сравнимые с соответствующими районами в эндогенных центромерах (т.е. перицентрическом хроматине), такими как метилирование H3JT9 и связывание НР1 (Lo et al., 2001).

Хотя механизм формирования неоцентромер у человека не известен, в модельной системе неоцентромеры были созданы экспериментально. У Drosophila неопентромеры получаются из минихромосом, когда помещаются рядом нецентромерная ДНК и эндогенная центромера (рис. 14.56) (Maggert and Karpen, 2001). Таким образом, у Drosophila для активации неоцентромеры требуется близость к функциональной центромере, заставляя предполагать, что одним из механизмов приобретения центромеры является распространение центромерных белков в с/^-конфигурации на соседние, нецентромерные участки. Коль скоро это распространение произошло, центромерная функция затем воспроизводится в этом новом сайте эпигенетически. Интересно, что формирование неоцентромеры подавляется, когда между эндогенной центромерой и участком формирования неоцентромеры присутствует гетерохроматин, заставляя предполагать, что в определении величины центромеры играют роль дополнительные эпигенетические механизмы.

Наконец, признаком эволюции являются хромосомные перестройки. Эти изменения сопровождаются приобретением, утратой и перемещениями центромер по отношению к нуклеотидным последовательностям генома (Ferreri et al., 2005). Такую пластичность легче всего объяснить, если идентичность центромеры определяется эпигенетически, как это описано в разделе 3.5.

3.3. Необычный состав центромерного хроматина

Данные об эпигенетическом регулировании центромерной идентичности и воспроизведении указывают на вероятность того, что ключевыми детерминантами являются структура и состав хроматина, а не первичные последовательности ДНК. Здесь мы обсудим различные компоненты и структуры, обнаруживаемые в хроматине CEN, а также удивительное наблюдение, показывающее, что эти свойства консервативны у далеко отстоящих друг от друга эукариот.

^{Рис. 14.5. Формирование неоцентромер у человека и мух (а)}

^{Хромосомы человека, несущие неоцентромеры, которые демонстрируют центромерную функцию и формирование кинтетохора в отсутствие центромерной ДНК, обычно связаны с крупными перестройками (Amor and Choo, 2002). В этом примере происходящая от хромосомы 10 неоцентромера (mar(del)10), структура которой указывает на формирование посредством большой интерстициальной делеции. удалившей эндогенную центромеру (серые пунктирные линии). Mar(del) 10 была открыта у индивидуума, в кариотипе которого была также кольцевая хромосома (ring(del)10, не показана), содержавшая ДНК из делегированного участка Последовательность событий для неоцентромер человека неясна; формирование неоцентромеры могло бы происходить вначале, давая дицентрическую хромосому, которая впоследствии подвергается перестройкам, или же формирование неоцентромеры могло бы происходить после делеции эндогенной центромеры, (б) У мух неоцентромеры могут создаваться экспериментально из минихромосомы, охарактеризованной на молекулярном уровне. Фрагмент эухроматина величиной 320 т.п.н. и теломерный хроматин, не содержащий центромерной ДНК. можно отделить от остальной минихромосомы, используя облучение. Этот фрагмент, который должен бы быть «ацентрическим», может стать функциональной неоцентромерой, которая надежно воспроизводится в митозе и мейозе и содержит белки центромеры и кинетохора, в норме ограниченные эндогенной центромерой (Blower and Karpen, 2001). Однако для формирования неоцентромеры требуется близость к эндогенной неоцентромере (420 т.п.н.), как в инверсионном деривате ?238; более того, формирование неоцентромеры не происходит по обе стороны от центромеры, когда присутствует перицентрический гетерохроматин (Maggert and Karpen, 2001) Эти результаты заставляют предполагать, что формирование неоцентромеры происходит через эпигенетическое распространение центромерного хроматина в соседний эухроматин, за которым следует эпигенетическое воспроизведение центромерной идентичности и функции. Блокирование этого процесса гетерохроматином согласуется с наблюдением, что сверхэкспрессированная CENP-A включается эктопически в эухроматин. но не в гетерохроматин (Heun et al. 2006), и позволяет предполагать, что протяженность центромерного хроматина определяется двумя эпигенетическими процессами: загрузкой и распространением CENP-A и формированием — блокированием гетерохроматина}

У всех эукариот в центромерных нуклеосомах присутствуют специфичные для центромер белки семейства CENP-A, подобные гистону H3 (рис. 14.6а). Они служат и структурной, и функциональной основой для кинетохора и являются превосходными кандидатами на роль эпигенетической метки, устанавливающей и воспроизводящей центромерную идентичность (Cleveland et al., 2003). В отличие от большинства белков кинетохоров, собирающихся во время митоза, CENP-A присутствует в центромерах на протяжении всего клеточного цикла, что является одним из первых указаний на его важность для центромерной идентичности. У дрожжей, червей, мух и млекопитающих хроматин, содержащий CENP-A, обеспечивает также основу, существенную для рекрутирования белков кинетохора, прикрепления веретена и нормального расхождения хромосом (Carroll and Straight, 2006). Эксперименты по реципрокному эпистазу показали, что CENP-A является первым белком на пути сборки кинетохора, что согласуется с его физической локализацией в хроматине в основании кинетохора в митотических хромосомах. Дальнейшие доказательства важности CENP-A для формирования кинетохора вытекают из опытов по сверхэкспрессии у мух, в которых неправильная локализация CENP-A в нецентромерных районах производит функциональные эктопические кинетохоры (Heun et al., 2006). Поэтому, коль скоро этот вариант гистона существен для центромерной функции, мы в настоящее время определяем CEN-хроматин как район ДНК и белков, связанных с CENP-A.

Структура нуклеосом, содержащих CENP-A. необычна по сравнению с каноническими гистоновыми корами, содержащими H3, Н2А, Н2В и Н4. Нуклеосомы CENP-A можно собрать in vitro из очищенного

CENP-A и гистонов Н2А, Н2В и Н4, что согласуется с предыдущими наблюдениями, показывающими, что in vivo они гомотипичны (т.е.содержат две копии CENP-А, а не одну копию H3 и одну копию CENP-A) (Yoda et al., 2000). Детальный биофизический анализ показал, что интерфейс между CENP-A и Н4 отличается от интерфейса H3—Н4, и домен, взаимодействующий с Н4 достаточен для «нацеливания» CENP-A на центромеры в присутствии эндогенного CENP-A (Black et al., 2004).

Замещение гистона H3 белком CENP-A в центромерных нуклеосомах первоначально позволяло думать, что CENP-A составляет весь хроматин, связанный с кинетохором. У S. pombe CENP-A равномерно распределен по центральным коровым участкам величиной 5—7 т.п.н. Эти коры фланкируются крупными гетерохроматиновыми доменами, содержащими метилирование H3K9 и белки гетерохроматина (Pidoux and Allshire, 2004). Однако детальный цитологический анализ и исследования с использованием иммунопреципитации обнаружили, что у многоклеточных эукариот центромерный хроматин имеет более сложный состав и организацию. Центромеры Drosophila, человека и риса содержат перемежающиеся блоки нуклеосом, содержащих H3 и CENP-A (в совокупности называемые CEN-хроматином), фланкированные еще более крупными блоками (от тысяч до миллионов пар нуклеотидов) перицентромерного гетерохроматина (рис. 14.66) (Blower et al., 2002; Yan et al., 2005).

Рис. 14.6. Организация центромерного хроматина

^{(a) CENP-A является высококонсервативным, специфичным для центромер вариантом гистона Рисунок показывает его локализацию исключительно в центромерах в митотических хромосомах Drosophila (б) CEN-хроматин у мух и человека содержит перемежающиеся блоки содержащих Н3 и содержащих CENP-A нуклеосом и фланкирован перицентромерным гетерохроматином (Blower et al. 2002)}

Чередование [interspersion] доменов H3 и CENP-A ставит ключевые вопросы относительно эпигенетической природы CEN-хроматина. В частности, модифицированы ли субдомены H3 в CEN-хроматине многоклеточных эукариот подобно гетерохроматину или эухроматину? Или же они маркированы уникальным образом? Далее, эквивалентна ли каждая перемежающаяся единица CENP-A/H3 в более крупных эукариотических центромерах единичной центромере S. pombe? К этим вопросам обратились, изучая посттрансляционные модификации, характеризующие перемежающиеся блоки нуклеосом H3 и CENP-A и обнаружившие еще большую сложность. Удивительно, что у человека и мух перемежающиеся домены H3 содержат H3K9me2 — метку, обычно ассоциированную с эухроматином — и, более того, не имеют H3K9me2 и H3K9me3, ассоциированных с фланкирующим гетерохроматином (рис. 14.7а) (Sullivan and Karpen, 2004; Lam et al., 2006). Однако, как и в гетерохроматине, в перемежающихся нуклеосомах H3 отсутствовали множественные формы ацетилирования H3 и Н4, как отсутствовал и H3K4me3. Таким образом, нуклеосомы H3 в CEN-хроматине обнаруживают паттерн модификаций, отличающийся от канонических эухроматина или гетерохроматина (рис. 14.76). Эти результаты наводят также на мысль, что центросомы мух и человека не составлены просто из повторяющихся S. pombe-подобных центромер. Важно, однако, отметить, что общая организация центромерных районов консервативна, так что у всех многоклеточных эукариот и у S. pombe весь хроматиновый домен CENP-A фланкируется перицентромерным гетерохроматином, содержащим метилирование H3K9.

Какова возможная функциональная роль модификаций гистонов в CEN и фланкирующем хроматине? Отдельные состояния хроматина в районе CEN, вероятно, вносят вклад в разнообразные свойства центромерных доменов, такие как установление сроков для дифференциальной репликации CEN и фланкирующего гетерохроматина (Sullivan and Karpen, 2001; Blower et al., 2002). Модификации фланкирующего перицентромерного гетерохроматина могут также поддерживать размеры центромер, создавая барьер против расширения CEN-хроматина. У Drosophila CEN-хроматин легко распространяется на соседние последовательности, когда фланкирующий гетерохроматин удаляется, делая возможной активацию неоцентромеры (рис. 14.56) (Maggert and Karpen, 2001), а сверхэкспрессия CENP-A приводит к неправильной локализации в эухроматин, но не гетерохроматин (Heun et al., 2006). Интересно, что результатом сверхэкспрессии CENP-A в клетках человека является распространение CEN -хроматина и изменения в метилировании H3K9 во фланкирующих участках (Lam et al, 2006). Таким образом, размеры центромер, по-видимому, определяются балансом между двумя эпигенетическими состояниями: CEN-хроматином и фланкирующим перицентромерным гетерохроматином.

Концентрация белков, необходимых для сцепления (когезии) сестринских хроматид, которое устанавливается одновременно с репликацией ДНК в фазе S, выше всего в гетерохроматине, фланкирующем центромеру. Это распределение, по-видимому, вносит вклад в соответствующую двойную ориентацию кинетохоров в митозе, а также в поддержание сцепления во время метафазы несмотря на развиваемые веретеном силы, концентрирующиеся в кинетохорах/центромерах (Watanabe, 2005). Эпигенетическое регулирование сцепления включает рекрутирование когезинов белками НР1 (Swi6у S. pombe), которое, в свою очередь, опосредуется высокими концентрациями метилирования H3K9 в перицентромерном гетерохроматине (Nonaka et al., 2002). Таким образом, специфичные для CEN комбинации модификаций гистонов тоже могли бы быть важными для рекрутирования когезионных комплексов к гетерохроматину вблизи сестринских кинетохоров, обеспечивая в то же время пространственное разделение когезионных и кинетохорных доменов (Sullivan and Karpen, 2004; см. также главу 6).

Рис. 14.7. Различные паттерны модификаций гистонов в центромерном хроматине

^{(а) Иммунофлуоресцентный анализ с использованием антител, распознающих специфические модификации гистонов на расправленных хромосомных фибриллах, показал, что перемежающиеся блоки нуклеосом, содержащих H3, обладают паттерном модификаций, отличающимся от канонических эухроматина и гетерохроматина (Sullivan and Karpen, 2004). Например, несмотря на то, что центромеры у большинства эукариот погружены в крупные блоки перицентрического гетерохроматина, перемежающиеся блоки H3 содержат модификацию H3K9me2, в норме ассоциирующуюся с «открытым» эухроматином (наверху) и лишены гетерохроматинового маркера H3K9me2, присутствующей в перицентрических фланкирующих участках (внизу), (б) Сводка «двумерной» организации центромерного хроматина в интерфазе, основывающаяся на исследованиях растянутых фибрилл хроматина у мух и человека. + и — обозначают присутствие и отсутствие указанных модификаций гистонов (соответственно) в эухроматине, перицентромерном гетерохроматине и перемежающихся блоках нуклеосом H3 в центромерном хроматине (Sullivan and Karpen 2004; Lam et al., 2006). (в) Модель трехмерной организации хроматина в центромерном районе митотических хромосом. Предполагается, что ассоциации между сходным образом модифицированными нуклеосомами вносят вклад в формирование отдельных трехмерных структур в центромерном и фланкирующем хроматине. Перемежающиеся CENP-A/ CID и по-разному модифицированные H3 и Н4 могут опосредовать формирование «цилиндрических» трехмерных структур, наблюдаемых в метафазных хромосомах (Blower et al., 2002; Sullivan and Karpen, 2004). Хроматин H3K9me2, рекрутирующий такие белки гетерохроматина, как НР1, и такие белки когезии, как RAD21/SCC1, присутствует во внутреннем кинетохорном пространстве между митотическими сестринскими хроматидами и в участках, фланкирующих центромерный хроматин. Это расположение может быть необходимо для «презентации» CENP-A направленной к полюсу поверхности митотической хромосомы и облегчения рекрутирования внешних кинетохорных белков, а также для стимуляции взаимодействия НР1 с самим собой и правильной конденсации/когезии хромосом. Когезины изображены в виде кольцевидных структур в соответствии с последними моделями}