Гистоны и ацетилирование играют регуляторную роль в транскрипции
Как показано в этой главе, гистоны подвержены многим разным посттрансляционным модификациям ( PTMs ), и со временем несомненно будут обнаружены новые, пока еще не известные HPTMs . Известные модификации можно классифицировать либо как малые химические группы, обсуждаемые в разделах " Ацетилирование и деацетилирование гистонов ", " Фосфорилирование гистонов " и " Метилирование гистонов " этой главы, либо как более крупные пептидные изменения в гистонах, что обсуждается в разделе " Деиминирование гистонов " ( табл. 10.1 ). Механизм, посредством которого HPTMs (посттрансляционные модификации гистонов) влияют на хроматиновую матрицу и родственные процессы, такие как транскрипция или репрессия генов, рассматриваются в контексте трех концептуальных моделей, изображенных на рис. 10.1 . Модель 1 предполагает, что посттрансляционно модифицированные гистоны могут каким-то образом изменять струкутру хроматина. В модели 2 НРТМ может подавлять связывание некоего фактора с хроматиновой матрицей, тогда как модель 3 предполагает, что НРТМ создает сайт связывания для определенного белка (см. также " DROSOPHILA: ЭФФЕКТ ПОЛОЖЕНИЯ, ГЕТЕРОХРОМАТИН И САЙЛЕНСИНГ ГЕНОВ ").
Что, в историческом плане, изменило главенствующий взгляд, согласно которому хроматин является, в основном, материалом упаковки ДНК? Самые ранние данные о том, что HPTMs регулируют активацию транскрипции и сайленсинг , были получены в экспериментах на Saccharomyces cerevisiae в конце 1980-х годов. Эти почкующиеся дрожжи являются весьма эффективной моделью для проведения генетических экспериментов (в области как прямой, так и обратной генетики) по выяснению значения гистонов. Причина этого в том, что, в отличие от высших эукариот, где имеются множественные копии каждого гистонового гена, с однокопийными гистоновыми генами дрожжей можно легко проводить генетические манипуляции. Например, на фоне удаления с помощью делеций всех гистоновых генов можно ввести копию каждого гена, закодированную в эписоме , несущей такой селективный маркер, как ген URA3 , для сохранения этой эписомы. Вторую копию гистонов можно ввести на второй эписоме, несущей другой селективный маркер. В этой второй копии можно вызвать мутацию с помощью сайт-направленного мутагенеза, а затем можно вызвать утерю первой копии, копии дикого типа, из клетки, используя 5-FOA (5-фтороротовая кислота) , делающую продукт гена URA3 токсичным для клетки. Конечным результатом будет присутствие в клетке единственной копии - измененной копии на второй эписоме, которая содержит любое число мутаций, подлежащих тестированию. У S. cerevisiae гистоновые гены расположены парами НЗ/Н4 и Н2A/Н2В, и их транскрипция в большой степени скоординирована таким образом, что совпадает с фазой S. Каждая нуклеосома собирается из тетрамера НЗ/Н4 и двух димеров Н2A/Н2В; когда одна пара любой двойки оказывается недо- или сверхтранскрибированной, нуклеосомы оказываются обедненными. Это изменение дозы гистонов генетическими средствами явилось одним из первоначальных доказательств того, что структура хроматина играет ключевую роль в регулировании экспрессии. Один такой подход использовал "прямую" генетику, когда были отселектированы случайные мутации, которые приводили к инактивации гена-маркера ( Clark-Adams et al., 1988 ). Оказалось, что эти мутации изменяют количество пар гистонов. При втором подходе использовали "обратную" генетику, когда направленное "истощение" гистоновых генов давало четкое доказательство того, что гистоны регулируют транскрипцию генов ( Han and Grunstein, 1988 ). Следующий этап заключался в том, чтобы провести делецию только аминотерминальных "хвостов" гистонов (сайты локализации многих НРТМ) или выполнить мутации-замены сайтов ацетилирования в гистонах. Эти более тонкие "хирургические" изменения также вызывали уменьшение активации генов, позволяя предполагать, что ацетилирование необходимо для транскрипции генов ( Durrin et al., 1991 ).
При других подходах исследовали, изменяются ли нуклеосомы естественным образом в ходе активации генов. Биохимические эксперименты показали, что нуклеосомы играют репрессивную роль в транскрипции на матрицах ДНК in vitro ( Workman and Roeder, 1987 ), но вопрос о том, происходит ли то же самое in vivo, является спорным. Некоторые промоторы обладают нуклеосомами, расположенными естественным образом "вверх по течению" от сайтов начала транскрипции, и эти позиционированные нуклеосомы становятся измененными, когда ген активируется ( Svaren et al., 1994 ; Shim et al., 1998 ). В случае PHO5 изменение нуклеосом требовало активатора, показывая тем самым, что без транскрипции нуклеосомы не были изменены. Однако было неясно, является ли это изменение причиной или же следствием транскрипции. Чтобы выяснить это, делетировали TATA-бокс, отменяющий транскрипцию у дрожжей. Положение нуклеосом, тем не менее, изменилось, заставляя предположить, что это изменение нуклеосом предшествует транскрипции.
В совокупности подобные эксперименты убедительно свидетельствовали о том, что для активации транскрипции могут быть необходимы и репозиционирование нуклеосом, и ацетилирование специфических остатков в гистоновых "хвостах".
