Инактивация Х-хромосомы и факультативный гетерохроматин

Сайленсинг генов , опосредованный PcG , и инактивация Х-хромосомы являются лучшими примерами регулируемых в развитии переходов между активным и неактивным состояниями хроматина ( рис. 3.17 ), часто называемого факультативным гетерохроматином. Он назван так в противоположность конститутивному гетерохроматину (например, в околоцентромерных доменах ), который, по умолчанию, может быть индуцирован в некодирующих и высокоповторяющихся районах. Факультативный гетерохроматин встречается в кодирующих районах генома, где сайленсинг генов зависит от принимаемых в ходе развития решений, определяющих различные клеточные судьбы (а иногда и ревертируется этими решениями).

Один из лучше всего изученных примеров образования факультативного гетерохроматина - инактивация одной из двух Х-хромосом у самок млекопитающих для выравнивания дозы экспрессии сцепленных с Х-хромосомой генов с самцами, обладающими только одной Х-хромосомой (и гетероморфной Y-хромосомой) (глава " Компенсация дозы у млекопитающих "). Здесь сайленсинг генов по всей неактивной Х-хромосоме (Xi) индуцирует высокую степень компактизации Xi, которая видна как тельце Бара , локализованное на периферии ядра клеток у самок млекопитающих. Как подсчитываются две аллели Х-хромосом и каким образом одна определенная Х-хромосома выбирается для инактивации - эти вопросы стоят на повестке дня сегодняшних эпигенетических исследований.

Инактивация Х-хромосомы происходит с участием большой (-17 т.н.) РНК, Xist, которая, по-видимому, действует как первичный триггер ремоделинга хроматина в Xi. Хотя существует возможность образования dsRNA между Xist и антисмысловым транскриптом Tsix (экспрессируемым лишь до начала инактивации X), нет никаких сколько-нибудь убедительных доказательств участия зависящих от РНКи механизмов в инициации инактивации X. Центр инактивации X ( XIC , X inactivation center) и вероятные сайты "вхождения" или " докинга " в ДНК (постулируется, что это специализированные повторяющиеся элементы ДНК, которыми обогащены Х- хромосомы) играют роль в ассоциации Xist-РНК и функционирования ее в качестве молекулы-скаффолда , декорирующей Xi в cis. Xist стимулирует рекрутирование , а также действие и комплекса PRC1 (репрессивный комплекс polycomb ), и комплекса PRC2 , участвующих в образовании стабильной неактивной Х-хромосомы. В число компонентов PRC2 входит, например, модифицирующий хроматин фермент EZH2 из группы НКМТ , который катализирует НЗК27meЗ . Связыванию комплекса PRC1 могут способствовать и НЗК27meЗ , и механизмы, не зависящие от модификации гистонов, тогда как другие компоненты этого комплекса, такие как белки Ring1 , убиквитинируют H2A . Гетерогенность комплексов PcG такова, что различные его компоненты могут действовать независимо от других компонентов комплекса. Модификации хроматина, связывание комплекса PcG, последующее включение гистонового варианта макроH2A вдоль Xi и экстенсивное метилирование ДНК - все эти процессы вносят вклад в образование структуры факультативного гетерохроматина во всей хромосоме Xi. Коль скоро стабильная гетерохроматиновая структура установлена, для ее поддержания Хi-РНК больше не нужна ( Avner and Heard, 2001 ; Heard, 2005 ). Аналогичной формой моноаллельного сайленсинга является геномный импринтинг , также использующий некодирующую или антисмысловую РНК для сайленсирования одной аллельной копии в зависимости от того, от кого из родителей эта копия происходит (глава " Геномный импринтинг у млекопитающих "). В настоящее время неясно, влияют ли ES-клетки от мутантных по Dicer мышей на процессы инактивации X или на геномный импринтинг и, если влияют, то каким образом.

Общая парадигма компенсации дозы - классического эпигенетически контролируемого процесса - была также исследована у других модельных организмов, в особенности у С. elegans ( Meyer et al., 2004 ; глава " Эпигенетическая регуляция X-хромосом у С. elegans ") и Drosophila ( Gilfillan et al., 2004 ; глава " Компенсация дозы у Drosophila "). Пока что неясно, происходит ли компенсация дозы у птиц, несмотря на тот факт, что они являются гетерогаметными организмами. У Drosophila компенсация дозы между полами происходит не за счет инактивации Х-хромосомы у самки, а путем двукратного усиления [up-regulation] работы единственной Х- хромосомы самца. Любопытно, что существенными компонентами являются, как известно, две некодирующие РНК, roX1 и roX2 , и их экспрессия специфична для самцов. Хотя и существуют, вероятно, аналогичные механистические различия в каких-то деталях между мухами и млекопитающими, ясно, что активирование ремоделинга хроматина и модификаций гистонов, в особенности зависящее от MOF ацетилирование Н4К16 на Х-хромосоме самца, играет ключевую роль в компенсации дозы у Drosophila. Каким именно образом энзимы, модифицирующие гистоны, такие как MOF-ацетилтрансфераза гистонов, "нацеливаются" на Х-хромосому самца, остается предметом будущих исследований. Более того, полагают, что такие зависящие от АТФ энзимы ремоделинга хроматина, как фактор ремоделинга нуклеосом ( NURF , nucleosomere-modeling factor), являются антагонистами активностей комплекса компенсации дозы ( DCC , dosage compensation complex).

В совокупности в этом разделе дано описание механизмов для модификаций хроматина, направляемых РНК, в том виде, как это происходит с конститутивным гетерохроматином, хромосомой Xi и, возможно, также и сайленсингом генов, опосредованным PcG. Исходя из этих любопытных параллелей, можно постулировать, что часть РНК или неспаренных ДНК могли бы обеспечить привлекательный первичный триггер для стабилизации комплексов PcG в PREs или "компрометированной" промоторной функции, где они могли бы "чувствовать" качество транскрипционного процессинга. Аберрантная или блокированная элонгация и (или) ошибки в сплайсинге могли бы стимулировать взаимодействие между PcG, связанным с PRE, и промотором, приводя к выключению транскрипции. Таким образом, инициация PcG-сайленсинга индуцировалась бы переходом от продуктивной транскрипции к непродуктивной. Сейчас только лишь начинает проясняться, в какой мере комплексы trxG могут использовать контроль качества РНК и (или) процессинг первичных РНК-транскриптов как часть поддержания "включенных" транскрипционных состояний ( Sanchez-Eisner et al., 2006 ).

Ссылки: