Компоненты PRC2 и его эволюционный консерватизм
Несколько вариантов PRC2 были выделены из эмбрионов Drosophila, но все эти комплексы содержали четыре коровых белка ( Levine et al., 2004) : SET-гистонметилтрансфераза Enhancer of Zeste ( E(Z) ), WD40-белок ESC, связывающийся с гистонами белок p55 и Supressor of Zeste 12 ( Su(Z)12 ) ( табл. 11.1 и рис. 11.3 ). Исходя из такого состава, PRC2 первоначально называли комплексом E(Z)-ESC. В этом разделе освещаются молекулярные и биохимические детали того, что известно о разных компонентах PRC2, идентифицированных до сегодняшнего дня у различных модельных организмов.
Ген E(z) кодирует белок из 760 аминокислот, содержащий домен SET , который придает ему активность метилтрансферазы лизинов гистонов ( НКТМ ). Этому домену SET предшествует домен СХС, или Pre-SET ( Tschiersch et al., 1994 ), содержащий девять консервативных цистеинов, которые связывают три иона цинка и, как полагают, стабилизируют домен SET. В пользу такой структурной роли говорит тот факт, что несколько температурочувствительных аллелей E(z) затрагивают один из этих консервативных цистеинов ( Carrington and Jones, 1996 ). Кроме того, E(z) содержит домены SANT , вовлеченные в связывание с гистонами, и домен С5 , необходимый для физического взаимодействия с SU(Z)12 .
ESC - это короткий белок из 425 аминокислот, содержащий пять повторов WD40 , образующих структуру типа "бета-пропеллер". Это создает платформу для белок-белковых взаимодействий, отводя ESC тем самым центральную роль в PRC2: физически взаимодействовать как с E(z) , так и с р55 во всех проанализированных модельных системах.
Белок SU(Z)12 состоит из 900 аминокислот и характеризуется структурой "цинковый палец" С2Н2-типа и карбокситерминальным доменом VEFS . Домен VEFS был идентифицирован как консервативный участок между SU(Z)12 и его тремя гомологами у растений: VRN2 , EMF2 , FIS2 (см. рис. 11.3 ). Несколько мутантных аллелей Su(z)12 изменяют этот домен, показывая тем самым, что он необходим для взаимодействия с доменом С5 белка E(Z) ( Chanvivattana et al., 2004 ; Yamamoto et al., 2004 ).
Генетически белок p55 не был идентифицирован как член PcG - возможно потому, что он участвует во множестве других белковых комплексов, ассоциированных с хроматином ( Hennig et al., 2005 ). Однако биохимически белок р55 был идентифицирован как часть PRC2. Он состоит из 430 аминокислот и содержит шесть повторов WD40 , которые физически взаимодействуют с ESC или его ортологами у млекопитающих и растений ( Tie et al., 2001 ; Kuhler et al., 2003a ).
Кроме коровых белков PRC2 некоторые варианты этого комплекса содержат деацетилазу гистонов ( HDAC ) RPD3 , или Polycomb-подобный белок ( PCL ). Взаимодействие с RPD3 заслуживает особого внимания, поскольку деацетилирование гистонов коррелирует с репрессированным состоянием экспрессии генов (глава " Модификации хроматина и механизм их действия "). Различный состав PRC2 отражает, вероятно, динамические изменения в ходе развития или же ткане- специфичные варианты.
PRC2 высоко консервативен у беспозвоночных, позвоночных и растений ( рис. 11.3 ). У С. elegans присутствуют только гомологи E(Z) и ESC : MES-2 и MES-6 . Вместе с еще одним неконсервативным белком, MES-3 , они формируют маленький комплекс с мол. массой около 230 кДа, необходимый для сайленсинга в гермафродитной зародышевой линии (глава " Эпигенетическая регуляция Х-хромосом у С. elegans "). У растений и млекопитающих присутствуют все четыре коровых белка PRC2. Как и у Drosophila, комплекс млекопитающих имеет мол. массу около 600 кДа и играет роль не только в регуляции экспрессии гомеотических генов, но и в контроле клеточной пролиферации, инактивации Х-хромосомы и экспрессии импринтированных генов.
У растений несколько генов, кодирующих компоненты PRC2, претерпели дупликацию, так что теперь они представлены небольшими семействами генов. У Arabidopsis имеется только один гомолог ESC , FERTILIZATION-INDEPENDENT ENDOSPERM ( FIE ), но три гомолога E(Z) , три гомолога SU(Z)12 и пять гомологов р55 (называемые MSI1-5 ) ( табл. 11.1 ). Различные комбинации этих белков образуют по крайней мере три разных комплекса, контролирующие специфические процессы развития ( рис. 11.3 и рис. 11.4 ) ( Reyes and Grossniklaus, 2003 ; Chanvivattana et al., 2004 ).
Из этих комплексов лучше всего изучен комплекс, образованный членами класса FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED ( FIS ), который играет ключевую роль в контроле клеточной пролиферации в семени ( Grossniklaus et al., 2001 ). Этот комплекс FIS, или MEA-FIE содержит MEDEA , FIE , FIS2 и MSI1 . Как оказалось, комплекс FIS регулирует гены, кодирующие PHERES1 ( РНЕ1 ), транскрипционный фактор с доменом MADS [ MADS domain transcription factor]; и MEIDOS , гомолог Skp1 , который у дрожжей играет ключевую роль в контроле клеточной пролиферации ( Kuhler et al., 2003b ). Интересно, что отцовская аллель РНЕ1 экспрессируется на более высоких уровнях, чем материнская аллель. Эта регуляция экспрессии гена посредством геномного импринтинга находится под контролем комплекса FIS , который специфически репрессирует материнскую аллель ( Kuhler et al., 2005 ). Таким образом, как описывается ниже, комплекс FIS имеет общие с его аналогом у млекопитающих функции в регулировании клеточной пролиферации, а также экспрессии импринтированных генов.
Комплекс EMF содержит CLF и EMBRYONIC FLOWER2 ( EMF2 ) ( Chanvivattana et al., 2004 ). Мутации по любому из этих компонентов обнаруживают слабые гомеотические трансформации и фенотип раннего цветения. Комплекс EMF необходим для репрессии гомеотических генов , чье комбинированное действие определяет идентичность органов цветка ( Goodrich et al., 1997 ). Таким образом, комплекс EMF обладает функцией в поддержании репрессированного состояния гомеотических генов, сходной с функцией PRC2 у Drosophila и позвоночных ( рис. 11.2 ). Однако гомеотические гены у растений кодируют не гомеодоменные белки, а, скорее, другие транскрипционные факторы, принадлежащие к семействам MADS-домена и специфичного для растений AP2-домена . Сильные [strong] мутанты EMF2, однако, имеют более резко выраженные [severe] фенотипы, когда их сеянцы производят цветки сразу же после прорастания, минуя вегетативную фазу развития ( Yoshida et al., 2001 ). Таким образом, комплекс EMF играет роль как в раннем развитии, где он предотвращает немедленное цветение, так и позже, в ходе органогенеза цветка ( Chanvivattana et al., 2004 ). На обеих стадиях комплекс EMF репрессирует гомеотические гены цветка, такие как AG и APETALA3 (APЗ) ( рис. 11.4 ). Белки FIE и MSI1 , относящиеся к классу FIS , также вовлечены в контроль экспрессии гомеотических генов ( рис. 11.3 и рис. 11.4 ). Поскольку мутации в обоих этих белках вызывают связанную с материнским эффектом эмбриональную летальность, эта функция была обнаружена лишь тогда, когда аллели типа частичной утраты функции можно было изучать на более поздних стадиях развития ( Kinoshita et al., 2001 ; Hennig et al., 2003 ).
Наконец, комплекс VRN играет ключевую роль в хорошо известном эпигенетическом процессе - яровизации (продолжительное воздействие низкой температуры). Яровизация индуцирует цветение у озимых однолетников, но этот эффект виден только после многих клеточных делений ( рис. 11.4 ). Клетка растения будет помнить, что она была яровизирована, на протяжении многих месяцев или даже лет после холодного периода. Эта клеточная память поддерживается при пассажах в клеточной культуре, но не от одного поколения к следующему ( Sung and Amasino, 2004а ). Этот ответ на яровизацию опосредуется генами VERNALIZATION ( VRN ). Обнаружили, что VRN2 кодирует гомолог SU(Z)12 ( Gendall et al., 2001 ), который взаимодействует с гомологами E(Z) растений, CLF и SWINGER ( SWN ) в двугибридных тестах у дрожжей ( Chanvivattana et al., 2004 ). Переход к цветению контролируется не только яровизацией, но включает восприятие эндогенных (стадия развития и возраст) и экзогенных (длина дня, условия освещения, температура) факторов. Генетический анализ позволил определить четыре пути: (1) автономный путь конститутивно репрессирует цветение, (2) фотопериодический путь ускоряет цветение в условиях длинного дня, (3) яровизационный путь индуцирует цветение в ответ на действие низкой температуры и (4) гиббереллины стимулируют цветение. Ген сроков цветения FLC , содержащий MADS-бокс , является ключевым интегратором реакции цветения: он репрессирует цветение. Экспрессия FLC редуцируется как яровизационным, так и автономным путями. В то время как первоначальная репрессия FLC не зависит от комплекса VRN , поддержание репрессии требует VRN2 , который изменяет организацию хроматина в локусе FLC ( Gendall et al., 2001 ). Важно отметить, что один из компонентов автономного пути - это гомолог р55 , FVE (или MSI4) , который влияет на реакцию по срокам цветения, но не действует в яровизационном пути ( Ausin et al., 2004 ; Kim et al., 2004 ). Поскольку ни о каких биохимических исследованиях комплекса VRN не сообщалось, его точный состав в настоящее время неизвестен ( рис. 11.3 и рис. 11.4 ).
