Более высокие уровни организации хроматина: часть 1
Хроматин, этот состоящий из ДНК и нуклеосом полимер, является динамической молекулой, существующей во многих различных конфигурациях. Ранее в течение длительного времени хроматин разделяли на эухроматин и гетерохроматин , исходя из картины окрашивания ядра красителями, которые цитологи использовали для визуализации ДНК.
Эухроматин представляет собой деконденсированный хроматин, хотя он может быть активным или неактивным в отношении транскрипции .
Гетерохроматин можно определить в широком смысле как высококомпактизированный и "молчащий" хроматин. Он может существовать как постоянно молчащий хроматин ( конститутивный гетерохроматин ), где гены организма лишь изредка экспрессируются в клетках любого типа, или как хроматин, репрессированный в некоторых клетках в ходе специфического клеточного цикла или на специфической стадии развития ( факультативный гетерохроматин ).
Таким образом, имеется спектр состояний хроматина, и накопленная за многие годы литература позволяет предполагать, что хроматин является высокодинамичной структурой, склонной к ремоделингу и реструктурированию по мере получения физиологически релевантных сигналов, поступающих по "идущим вверх" (upstream) сигнальным путям. Однако лишь недавно достигнут значительный прогресс в раскрытии молекулярных механизмов, управляющих этими процессами ремоделинга.
Фигурирующая в учебниках 11-нанометровая матрица типа "бусинок на нити" представляет собой активную и в основном "развернутую" интерфазную конфигурацию, в которой ДНК периодически оборачивается вокруг повторяющихся единиц - нуклеосом ( рис. 3.7 ). Однако эта хроматиновая фибрилла не всегда составлена из нуклеосом, расположенных на регулярном расстоянии друг от друга. Нуклеосомы могут быть упакованы нерегулярно и могут сворачиваться в структуры более высокого порядка, анализ которых при атомном разрешении еще только начинается ( Khorasanizadeh, 2004 ). Характерные конформации хроматина более высокого порядка возникают в разных районах генома во время спецификации судьбы клеток или на разных стадиях клеточного цикла (интерфазный и митотический хроматин).
Расположение нуклеосом на 11-нанометровой матрице может быть изменено в результате cis-эффектов и trans-эффектов ковалентно модифицированных "хвостов" гистонов ( рис. 3.8 ). Сis-эффекты возникают в результате изменений в физических свойствах модифицированных хвостов гистонов, таких как модуляции в электростатическом заряде или в структуре хвостов, которые, в свою очередь, изменяют межнуклеосомные контакты. Хорошо известным примером может служить ацетилирование гистонов, которое, как давно подозревали, нейтрализует положительные заряды сильно основных гистоновых хвостов, порождая в результате локальное растяжение хроматиновой фибриллы и тем самым обеспечивая лучший доступ транскрипционной машины к двойной спирали ДНК. Фосфорилирование , благодаря добавлению суммарного отрицательного заряда, может создавать "очажки зарядов" [charge patches] ( Dou and Gorovsky, 2000 ), которые, как полагают, изменяют упаковку нуклеосом или экспонируют аминоконцы гистонов, изменяя у хроматинового полимера состояние сворачивания более высокого порядка ( Wei et al., 1999 ; Nowak and Corces, 2004 ).
Считается, что во многом таким же образом линкерные гистоны ( H1 ) стимулируют упаковку фибрилл более высокого порядка, экранируя отрицательный заряд линкерной ДНК между соседними нуклеосомами ( Thomas, 1999 ; Khochbin, 2001 ; Harvey and Downs, 2004 ; Kimmins and Sassone-Corsi, 2005 ). Добавление таких объемистых аддуктов, как убиквитин и АДФ-рибоза, также может индуцировать разное расположение гистоновых хвостов и открывать группы нуклеосом. В какой мере гистоновые хвосты могут индуцировать компактизацию хроматина посредством механизмов, зависящих от модификаций и не зависящих от них, - еще не ясно.
Модификации гистонов могут также вызывать то, что мы обозначаем как trans-эффекты, рекрутируя в хроматин связанные с модификацией молекулы-партнеры. Это может рассматриваться как "считывание" конкретной ковалентной метки гистона зависимым от контекста образом. Некоторые партнеры по связыванию обладают особым сродством и поэтому говорят, что они "помещаются как в док" ("dock") на специфические "хвосты" гистона и нередко делают это, играя роль хроматиновой "застежки-липучки" ("Velcro") для одного полипептида в составе значительно более крупного ферментативного комплекса, которому нужно связаться с хроматиновым полимером. Например, бромодомен - мотив, распознающий ацетилированные остатки гистона - часто, хотя и не всегда, является частью фермента ацетилтрансферазы гистонов (HAT) , функция которого - ацетилирование гистонов-мишеней ( рис. 3.10 ) и который существует как часть более крупного комплекса, осуществляющего ремоделинг хроматина ( Dhalluin et al. 1999 ; Jacobson et al. 2000 ). Аналогичным образом метилированные остатки лизина, встроенные в гистоновые хвосты, могут считываться хромодоменами ( Bannister et al., 2001 ; Lachner et al., 2001 ; Nakayama et al., 2001 ) или сходными доменами (например, МВТ , tudor ) ( Maurer-Stroh et al., 2003 ; Kim et al., 2006 ) и облегчать модуляции хроматина, происходящие "ниже по течению". В некоторых случаях, например, ассоциация хромодоменных белков ускоряет распространение гетерохроматина путем катализируемого гистоновой метилтрансферазой (НКМТ) метилирования соседних гистонов, которые затем считываются хромодоменными белками.
Модификации как хвостовых участков, так и глобулярного корового участка гистонов ( Cosgrove et al., 2004 ) могут также "нацеливать" зависимые от АТФ ремоделирующие комплексы на 11-нанометровую фибриллу, необходимую для перехода от готового к действию эухроматина к транскрипционно активному состоянию. Эта мобилизация нуклеосом может происходить путем скольжения октамера, изменения структуры нуклеосомы в результате выпетливания ДНК или замещения специфических коровых гистонов гистоновыми вариантами. Зависимые от АТФ ремоделеры хроматина (такие как SWI / SNE - исторически важный пример!) путем гидролиза высвобождают энергию для того, чтобы осуществить значительные изменения в контактах гистон-ДНК, приводящие к выпетливанию, скручиванию и скольжению нуклеосом. Как было показано, эти нековалентные механизмы имеют критически важное значение для событий регуляции генов ( Narlikar et al., 2002 ) в такой же мере, как и механизмы, связанные с ковалентной модификацией гистонов . Тот факт, что специфические зависимые от АТФ ремоделеры могут перетасовывать варианты гистонов, включая их в хроматин и выводя их из него, дает возможность связать вместе cis-, trans-механизмы и механизмы ремоделинга. В свою очередь, понимание того, как эти взаимосвязанные механизмы действуют согласованным образом, варьируя эпигенетические состояния в хроматине, все еще остается далеко не полным.
Более компактные и репрессивные хроматиновые структуры более высокого порядка (30-нанометровые) могут быть также получены в результате рекрутирования линкерного гистона Н1 и (или) зависящих от модификации, или "архитектурных", факторов, связанных с хроматином, - таких, как белок 1 гетерохроматина (НР1) или Polycomb (PC) . Хотя обычно считают, что компактизация нуклеосомного хроматина (11-нанометрового) в 30-нанометровую транскрипционно некомпетентную конформацию осуществляется путем включения линкерного гистона H1 в интерфазе, функциональное и структурное расчленение этого гистона до недавнего времени было затруднено ( Fan et al., 2005 ). Одна вероятная проблема, связанная с этими исследованиями, заключается в том, что гистон H1 существует в виде разных изоформ (около 8 у млекопитающих), затрудняя проведение детального генетического анализа. Таким образом, имеет место дублирование между некоторыми изоформами H1, тогда как другие изоформы могут выполнять тканеспецифичные функции ( Kimmins and Sassone-Corsi, 2005 ). Интересно, что сам H1 может быть ковалентно модифицирован (фосфорилирован, метилирован, поли(АТФ)рибозилирован и т.д.), создавая возможность того, что cis- и trans-механизмы, проанализированные в настоящее время на коровых гистонах, вполне могут быть распространены и на этот важный класс линкерного гистона, а также на негистоновые белки ( Sterner and Berger, 2000 ).
