Упаковка хроматина

В прошлый раз мы узнали о двух направлениях мысли, повлиявших на наше понимание не-генетического наследования. Первое из них составляли умозрительные ("ландшафт Уодингтона") и экспериментальные (генетический импринтинг, парамутации) попытки в области клеточной дифференциации и наследственности. Вторая линия мысли, приведшая к нынешнему пониманию эпигенетики, находилась в обширной области исследований упаковки ДНК и ее связи с репликацией и транскрипцией.

---

Цитогенетические исследования начала и середины ХХ столетия обнаружили то, что различные участки хромосом окрашиваются по-разному ("хроматин" означает буквально "окрашенный материал"). Эухроматин ("истинный" хроматин) окрашивался ярко и являлся активной частью генома. Гетерохроматин ("отличный" хроматин) окрашивался темнее и ассоциировался с неактивной частью генома (например, молчащие участки генома самцов мучнистых червецов, в которых был обнаружен импринтинг) [1]. Далее был обнаружен "эффект расположения", который заключался в том, что активные эухроматиновые участки, будь они вставлены посредством генетических манипуляций рядом с неактивными участками, также становились неактивными [2]. Таким образом, снова оказывалось, что расположение участков хромосом имело важное значение в генетической регуляции. Многие последующие исследования подтвердили важность "генетического контекста" в экспрессии отдельных генетических участков (см., например, [3]).

В конце ХХ и начала ХХI столетий связь между структурой хроматина и генетической функцией была положена на определенную молекулярную основу. Упаковка ДНК в высших организмах зависит от закручивания отрицательно заряженной двойной спирали ДНК вокруг положительно заряженных белков, называемых гистонами. Комплексы ДНК и гистонов называют нуклеосомами [4]. Специальный код ДНК ответственен за распознавание и равномерное распределение гистонов вдоль ДНК цепи [5]. Существуют два отличия между ДНК и гистонами эухроматина и гетерохроматина:

• ДНК гетерохроматина богата метильными группами, прикрепленными к цитозиновому основанию цепи.
• гистоны эухроматина и гетерохроматина несут на себе различные химические модификации (метильные, ацетильные и другие химические группы, прикрепленные к отдельным аминокислотным остаткам гистоновых "хвостов", которые выдаются из нуклеосом) [6].

Гистоновые модификации стали известны как гистонный код [7]. Изучая метилирование (прикрепление метильных групп к цитозиновым основаниям) и гистонный код, ученым удалось сформировать каталог различных эпигенетических состояний генома и соответствующих им модификаций. Уже известно из исследований на дрожжах, что простое деление на эухроматин и гетерохроматин чрезвычайно упрощает реальную картину: хроматиновая конфигурация специализирована для различных геномных функций [8].

Клетки обладают ферментами, которые прикрепляют и удаляют метильные и ацетильные группы с цитозиновых оснований ДНК и гистонных хвостов [9]. Таким образом, формирование и модифицирование структуры хроматина --- активный процесс с главенствующей ролью в определении функционального состояния ДНК. Такое активное реформатирование хроматина регулируется сигнальными путями биохимических превращений. Оно является важной частью клеточной специализации (дифференциации), так как по мере специализации клетки подавляют большие неиспользующиеся участки генома путем перевода их в гетерохроматин и активизируют новые участки, кодирующие белки и РНК, необходимые для выполнения специализированной клеточной функции [10].

В процессе реструктурирования хроматина также участвуют недавно открытые микро- и другие формы некодирующих РНК молекул (нкРНК) [11]. нкРНК в комплексе с белками специфично связываются и изменяют участки генома, комплиментарные нкРНК [12]. Далее в книге мы увидим, как такая РНК опосредованная эпигенетическая регуляция хроматина играет ключевую роль в контроле реструктурирования генома в ответ на эпизодический стресс, или геномный шок. Барбара МкКлинток использовала эту фразу для обозначения событий, которые подталкивают клетку на активацию молекулярной машинерии, осуществляющей перестройку генома [13].

Индексация генома, осуществляемая хроматиновыми доменами и распространяющаяся на десятки генетических локусов и сотни тысяч пар оснований, сама подвергается дополнительному форматированию. К примеру, мы узнали о существовании последовательностей-изоляторов, которые разграничивают регионы с разными типами хроматина [14]. Они также осуществляют размежевание участков с сигналами транскрипционной модификации, таких как промоторы и энхансеры. Некоторые изоляторы формируют изоляторные тельца, которые прикрепляют хромосомы к мембране клеточного ядра ("ядерный конверт") и, тем самым, препятствуют распространению хроматиновых доменов. Определенные последовательности модулируют появление хроматина, блокирующего последующую генную экспрессию. Вообще, такие последовательности являются повторяющимися участками ДНК, распознаваемыми нкРНК [15]. Мы будем говорить далее об этих последовательностях, обсуждая роль реструктуризации генома в экспрессии сохраненной/унаследованной информации.

 

Словарь

Хроматин --- "вещество наследственности", представляет собой комплекс ДНК, РНК и белков.

РНК --- рибонуклеиновая кислота; вид полимера клеток, участвующий в функции наследования (транскрипция) и экспрессии белков (в составе комплексов --- рибосом, --- осуществляющих синтез белка в процессе трансляции).

Метильная группа --- химический радикал СН_3.

Цитозин --- один из (основных) четырех азотистых оснований составляющих информационный код ДНК.

Ацетильная группа --- химический остаток уксусной кислоты; химическая формула (CH_3)CO.

Аминокислота --- элементарный строительный блок белковой молекулы.

Промотор --- участок ДНК, распознаваемый РНК-полимеразой (белок, осуществляющий транскрипцию) для начала "осмысленной" (выражение Википедии!) транскрипции.

Энхансер (усилитель) --- участок ДНК, с которым связываются факторы (белки) транскрипции, усиливая транскрипцию с целевых генов. Примечательно, что энхансеры не обязательно находятся в непосредственной близости к целевому гену и даже не обязательно на одной с ним хромосоме.

 

Литература

[1] Гетерохроматин:

• Henikoff S. Heterochromatin function in complex genomes. Biochim Biophys Acta 1470, O1-8 (2000).
• Huisinga K.L., Brower-Toland B., and Elgin S.C. The contradictory definitions of heterochromatin: transcription and silencing. Chromosoma 115, 110-22 (2006).

[2] Позиционный эффект:

• Spradling A.C. Position effect variegation and genomic instability. Cold Spring Harb Symp Quant Biol 58, 585-96 (1993).
• Karpen G.H. Position-effect variegation and the new biology of heterochromatin. Curr Opin Genet Dev 4, 281-91 (1994).

[3] Пример исследований "генетического контекста":

• Hazerligg T., Levis R., and Rubin G.M. Transformation of white locus DNA in drosophila: dosage compensation, zeste interaction, and position effect. Cell 36, 469-81 (1984).

[4] Нуклеосомы и гистоны:

• Kornberg R.D. and Klug A. The Nucleosome. Sci Am 244, 52-64 (1981).
• Grunstein M. Histones as Regulators of Genes. Sci Am 267, 68-74 (1992).

[5] Кодирование расположения хромосом:

• Segal E. et al. A genomic code for nucleosome positioning. Nature 442, 772-8 (2006).
• Peckham H.E. et al. Nucleosome positioning signals in genomic DNA. Genome Res 17, 1170-7 (2007).
• Kaplan N. et al. The DNA-encoded nucleosome organization of a eukaryotic genome. Nature 458, 362-6 (2009).

[6] Химическая модификация хроматина:

• Sapienza C., Peterson A.C., Rossant J. and Balling R. Degree of methylation of transgenes is dependent on gamete of origin. Nature 328, 251-4 (1987).
• Henikoff S., Furuyama T., and Ahmad K. Histone variants, nucleosome assembly and epigenetic inheritance. Trends Genet 20, 320-6 (2004).
• Chen Z.J. and Tian L. Roles of dynamic and reversible histone acetylation in plant development and polyploidy. Biochim Biophys Acta 1769, 295-307 (2007).

[7] Гистонный код:

• Jenuwein T. and Allis C.D. Translating the histone code. Science 293, 1074-80 (2001).
• Peterson C.L. and Laniel M.A. Histones and histone modifications. Curr Biol 14, R546-51 (2004).
• Sims R.J. 3rd and Reinberg D. Is there a code embedded in proteins that is based on post-translational modifications? Nat Rev Mol Cell Biol 9, 815-20 (2008).
• Margueron R., Trojer P., and Reinberg D. The key to development: interpreting the histone code? Curr Opin Genet Rev 15, 163-76 (2005).

[8] Специализация хроматиновой конфигурации:

• Appelgren H., Kniola B. and Ekwall K. Distinct centromere domain structures with separate functions demonstrated in live fission yeast cells. J Cell Sci 116, 4035-42 (2003).
• Pidoux A.L. and Allshire R.C. The role of heterochromatin in centromere function. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 360, 569-79 (2005).
• Scott K.C., Merrett S.L. and Willard H.F. A heterochromatin barrier partitions the fission yeas cetromere into descrete chromatin domains. Curr Biol 16, 119-29 (2006).

[9] Ферменты метилирования и ацетилирования хроматина:

• Holmes R. and Soloway P.D. Regulation of imprinted DNA methylation. Cytogenet Genome Res 113, 122-9 (2006).
• Choudhary C. et al. Lysine acetylation targets protein complexes and co-regulates major cellular functions. Science 325, 834-40 (2009).

[10] Реструктуризация хроматина и клеточная дифференцировка:

• Ikegami K., Ohgane J., Tanaka S., Yagi S. and Shiota K. Interplay between DNA methylation, histone modification and chromatin remodeling in stem cells and during development. Int J Dev Biol 53, 203-14 (2009).
• Margueron R., Trojer P., and Reinberg D. The key to development: interpreting the histone code? Curr Opin Genet Rev 15, 163-76 (2005).

[11] Некодирующие РНК молекулы:

• Mattick J.S. The Hidden Genetic Program of Complex Organisms. Sci Am 291, 60-67 (2004).
• Matzke M.A. and Birchler J.A. RNAi-mediated pathways in the nucleus. Nat Rev Genet 6, 24-35 (2005).

[12] нкРНК и форматирование хроматина:

• Andersen A.A. and Panning B. Epigenetic gene regulation by noncoding RNAs. Curr Opin Cell Biol 15, 281-9 (2003).
• Koerner M.V., Pauler F.M., Huang R. and Barlow D.P. The function of noncoding RNAs in genomic imprinting. Development 136, 1771-83 (2009).

[13] Геномный шок:

• Jorgensen R.A. Restructuring the genome in response to adaptive challenge: McClintock's bold conjecture revisited. Cold Spring Harb Symp Quant Biol 69, 349-54 (2004).

[14] Изоляторы:

• Kellum R. and Elgin S.C. Chromatin boundaries: punctuating the genome. Curr Biol 8, R521-4 (1998).
• Bushey A.M., Dorman E.R., and Corces V.G. Chromatin insulators: regulatory mechanisms and epigenetic inheritance. Mol Cell 32, 1-9 (2008).

[15] Повторяющиеся форматирующие последовательности:

• Lippman Z. et al. Role of transposable elements in heterochromatin and epigenetic control. Nature 430, 471-6 (2004).
• Kotnova A.P., Salenko V.B., Lyubomirskaya N.V. and Ilyin Y.V. Structural organization of heterochromatin in Drosophila melanogaster: inverted repeats of transposable element clusters. Dokl Biochem Biophys 429, 293-5 (2009).
• Guetg C., et al. The NoRC complex mediates the heterochromatin formation and stability of silent rRNA genes and centromeric repeats. EMBO J 29 (2010).