H2AZ играет роль в регулировании транскрипции
Возрождение интереса к вариантам гистонов оказалось особенно мощным в случае H2AZ (или H2A.Z) ( Kamakaka and Briggins, 2005 ). H2AZ почти повсеместен; он дивергировал от анцестрального H2A на ранних этапах эволюции эукариот. В соответствии с этим отдельным происхождением генетические эксперименты с почкующимися дрожжами и мухами показали, что гистоны Н2A и H2AZ возникли для выполнения отдельных, неперекрывающихся функций. H2AZ является необходимым гистоном у большинства организмов, от ресничных простейших до млекопитающих. Однако почкующихся и дробянковых дрожжей делеция гена H2AZ дает жизнеспособные клетки, хотя эти нуль- мутанты обладают разнообразными фенотипами. Эти свойства облегчили его генетическую и биохимическую характеристику у дрожжей.
У большинства протестированных на сегодня организмов H2AZ составляет приблизительно 10% от общего белка Н2A. Он широко, но не однородно распределен по всем хромосомам. Это наиболее элегантно выглядит в случае политенных хромосом Drosophila , где он образует отчетливый паттерн бэндинга. Результаты опытов по иммунопреципитации хроматина с использованием дрожжевых и мышиных клеток согласуются с этим паттерном. Хотя H2AZ преимущественно локализуется в промоторных участках генов дрожжей, эта специфичность не соблюдается для всех сайтов его откладки. У Drosophila сколько-нибудь различимая связь между локализацией H2AZ и экспрессией генов отсутствует. Таким образом, хотя механизм откладки H2AZ известен, правила, определяющие места его концентрации, в настоящее время неясны.
Ряд наблюдений указывают на важную роль H2AZ в регулировании экспрессии генов ( Kamakaka and Biggins, 2005 ). Мутационный анализ почкующихся дрожжей показал, что функция H2AZ частично является избыточной с двумя разными классами глобальных транскрипционных факторов, комплексом ремоделинга нуклеосом , Swi/Snf , и комплексом модификации гистонов, SAGA . Хотя утрата по отдельности функции H2AZ, Swi/Snf или SAGA не лишает клетку жизнеспособности, одновременная потеря любой комбинации двух путей детальна. Дополнительные генетические и биохимические эксперименты позволяют предположить, что эта роль включает эти функции и как в инициации, так и в элонгации транскрипции (дополнительные детали см. в главе " Модификации хроматина и механизм их действия "). Более того, баланс откладки H2AZ причинно связан с эпигенетикой через его роль как фактора антисайленсинга. Делеция гена H2AZ приводит к экстенсивному распространению "молчащего" хроматина внутрь от теломер, и этот дефект может быть подавлен дополнительной делецией генов, кодирующих сами факторы сайленсинга ( рис. 4.7 ). Влияние делегирования H2AZ на глобальную экспрессию генов было протестировано с помощью микрочипов дрожжевых генов. Хотя большинство регулируемых генов обнаруживают пониженную экспрессию в нуль-мутантах по H2AZ, существенная доля их демонстрирует увеличение экспрессии. Поскольку все еще не ясно, какие изменения отражают прямую регуляцию, а какие - косвенную, возможно, что нуклеосомы H2AZ функционируют как позитивно, так и негативно в регулировании транскрипции генов. Более того, неизвестно, лежит ли в основе этих разнообразных ролей H2AZ в транскрипции и гетерохроматине один унифицирующий механизм или же более сложное сочетание разных путей.
В противоположность современной картине, полученной для почкующихся дрожжей, в клетках млекопитающих H2AZ предпочтительно локализуется в гетерохроматиновых участках. Действительно, было показано, что он физически взаимодействует с белком НР1 (Heterochromatin associated Protein 1) . Хотя это могло бы наводить на мысль о возможной роли H2AZ в сайленсинге у многоклеточных животных, следует отметить, что у Drosophila подгруппа экспрессируемых генов, локализованных в гетерохроматине, действительно нуждается в НР1 для экспрессии ( Weiler and Wakimoto, 1995 ). Если локализация H2AZ в клетках млекопитающих отражает аналогичный процесс, тогда четко установленные роли этого варианта в облегчении транскрипции и противодействии сайленсингу у дрожжей вероятно отражали бы общие фундаментальные свойства этого варианта. H2AZ может играть еще одну роль в эпигенетике расхождения хромосом. Одним из первых фенотипов, обнаруженных у нуль-мутантов по H2AZ, был дефект расхождения хромосом в митозе, наблюдавшийся у дробянковых дрожжей. Последующие эксперименты сделали эту связь более очевидной. Экспериментальная делеция H2AZ в клетках млекопитающих с помощью РНК-интерференции ( RNAi ) вызывает дефекты в перицентрической ассоциации НР1, нестабильность генома и нарушения в сегрегации хромосом ( Kamakaka and Briggins, 2005 ). Аналогичным образом, у почкующихся дрожжей нуль-мутанты по H2AZ обнаруживают повышенную частоту потери хромосом в митозе и существенные генетические взаимодействия с генами, кодирующими известные компоненты центромеры и митотического веретена ( Krogan et al., 2004 ). Остается формально возможным, что влияние H2AZ на расхождение хромосом является косвенным следствием его роли в установке программы транскрипции генов. Однако интригующая гипотеза заключается в том, что механизмы расхождения хромосом эволюционировали таким образом, чтобы использовать не только вариант НЗ , но и вариант Н2A .
Каким образом H2AZ влияет на транскрипционную компетентность, сайленсинг, гетерохроматин и, возможно, сегрегацию хромосом? Структура содержащей H2AZ нуклеосомы, полученная с высоким разрешением, позволяет выявить несколько уникальных свойств этого варианта ( Suto et al., 2000 ). По сравнению с нуклеосомами Н2A H2AZ обладает расширенным кислотным пэтч-доменом на поверхности нуклеосомы, и это отличие, вероятно, имеет функциональное значение. Например, у Drosophila именно часть " докинг-домена " ("docking domain") ( рис. 13.2 ) взаимодействует с гистоном Н4 и определяет сегмент, существенный для функции. Далее, результаты мутационных исследований и экспериментов по связыванию in vitro свидетельствуют о том, что этот расширенный кислотный пэтч вносит основной вклад во взаимодействие нуклеосомы с НР1 ( Dryhurst et al., 2004 ). Интересно, что НР1 содержит хромодомен, белковый мотив, который может связываться с НЗ, метилированным по лизину 9 (главы " Эпигенетика: общий обзор и основные понятия " и " ЭПИГЕНЕТИКА ДРОЖЖЕЙ S. CEREVISIAE "). Таким образом, H2AZ мoжeт действовать совместно с метилированием гистона НЗ, обеспечивая ассоциированным с хроматином белкам платформу для связывания. В дополнение к своему расширенному кислотному пэтчу H2AZ имеет пару остатков гистидина, координирующих дополнительный ион металла в этой структуре, который, in vivo, мог бы обеспечивать уникальный физиологический ответ, недоступный нуклеосомам, содержащим Н2A. Наконец, кристаллическая структура позволяет предсказать, что асимметричный гистоновый октамер, состоящий из одного главного димера Н2A*Н2В плюс одного вариантного димера H2AZ*Н2В, создавал бы конфликт белковых структур в петле 1 ( рис. 13.2 ) и, по-видимому, вряд ли происходит in vivo.
В совокупности эти новые особенности нуклеосом H2AZ свидетельствуют в пользу того, что этот вариант должен придавать хроматину уникальные физические свойства. Это предсказание подтверждается экспериментально. Например, H2AZ может стабилизировать димер-тетрамерные взаимодействия в нуклеосоме, и порядки нуклеосом, составленных из нуклеосом H2AZ, могут обнаруживать усиленное сворачивание более высокого порядка и уменьшенную межмолекулярную агрегацию ( Dryhurst et al., 2004 ). Таким образом, H2AZ, вероятно, модулирует функцию хроматина по меньшей мере тремя различными способами. Во-первых, он несомненно изменяет физические свойства своего хроматинового окружения, влияя таким образом на доступность или активность trans-действующих факторов. Во-вторых, как и в случае с другими гистонами, посттрансляционные модификации в его аминотерминальном и карбокситерминальном доменах, вероятно, обеспечивают уникальные docking-сайты для ассоциированных с хроматином белков (так называемые trans-эффекты (глава " Эпигенетика: общий обзор и основные понятия "), или регулируемые изменения в плотности заряда ( cis-эффекты ). В-третьих, его ограниченная и специфическая откладка в хроматине, вероятно, "нацеливает" уникальные функции на специфические локусы.
