Основная масса гистонов откладывается после репликации ДНК
Для упаковки по существу всей ДНК эукариотической клетки в нуклеосомы необходимо, чтобы хроматин дуплицировался, когда реплицируется ДНК ( рис. 13.3 ). Таким образом, канонические гистоны продуцируются в фазе синтеза ДНК клеточного цикла (фазе S). Сопряжение синтеза гистонов с синтезом ДНК в фазе S находится под строгим контролем клеточного цикла ( Marzluff and Duronio, 2002 ). Это особенно очевидно у животных, где специальный процессинг гистоновых транскриптов малым ядерным рибонуклеопротеидным комплексом U7 и стабилизация иРНК белком SLBP (stem-loop-binding protein) вносят вклад в тесную координацию синтеза гистонов с репликацией ДНК. Весьма вероятно, что необходимость в быстром и массивном производстве гистонов в фазе S ответственна за тот факт, что сопряженные с репликацией ( RC , replication-coupled) гистоны у животных закодированы в кластерах, содержащих много гистоновых генов. Например, в геноме человека имеется 14 генов Н4 , большинство из которых находятся в двух главных кластерах, где эти гены Н4 чередуются с генами других гистонов RC ( Marzluff et al., 2002 ). У животных гистоны RC узнаются по наличию З'-последовательности длиной 26 п.о., которая образует структуру "стебель-петля (stem-loop)" для распознавания комплексом SLBP при транскрипции в гистоновую иРНК. Канонические гистоны растений тоже кодируются множественными генами и откладываются в фазе S, хотя транскрипты растительных гистонов полиаденилированы, а аналог SLBP, по- видимому, отсутствует.
В той мере, в какой эпигенетическая наследственность является результатом наследования "состояния" хроматина, процесс сборки нуклеосом RC представляет исключительный интерес. Биохимия этого процесса была выяснена, когда были разработаны системы in vitro, способные собирать нуклеосомы на реплицирующейся ДНК. Эти исследования показали, что трехсубъединичный комплекс, фактор сборки хроматина 1 ( CAF-1 , chromatin assembly factor 1) действует как гистоновый шаперон , облегчающий включение НЗ*Н4 в качестве первого этапа сборки нуклеосом ( Loyola and Almouzni, 2004 ). Было показано, что CAF-1 взаимодействует с фиксатором репликационной процессивности (replication processivity clamp), PCNA , что означает, что репликация ДНК и сборка RC происходят в тесной близости. Работы на почкующихся дрожжах показали, что ни одна из субъединиц комплексов, участвующих в сборке RC in vitro, не является существенной для роста; это позволяет предполагать, что in vivo существуют избыточные механизмы для сборки RC. Тот факт, что большая часть хроматина дрожжей собирается независимым от репликации ( RI , replication-independent) образом ( Altheim and Schultz, 1999 ), дает разумное объяснение для этой явной избыточности. Как показано ниже, варианты гистонов , как правило, откладываются путем RI-сборки нуклеосом.
У почкующихся дрожжей RC -сборка не является полностью избыточной. Интригующим оказалось открытие, что отсутствие большой субъединицы CAF-1 ведет к утрате эпигенетического сайленсинга в теломерах ( Loyola and Almouzni, 2004 ). Эта связь между RC-сборкой и эпигенетическим сайленсингом была распространена и на Arabidopsis , где утрата субъединиц CAF-1 приводит к ряду дефектов, которые можно приписать утере эпигенетической памяти. Хотя механистическая основа этих наблюдений неизвестна, кажется очевидным, что правильная откладка новых нуклеосом позади репликационной вилки важна для поддержания эпигенетически сайленсированного состояния.
Предпосылкой эпигенетической наследственности нуклеосомного состояния является тот факт, что предсуществовавшие нуклеосомы после репликации должны быть распределены по дочерним хроматидам ( рис. 13.3 ). Действительно, так оно и есть: детальные исследования показали, что старые нуклеосомы наследуются дочерними хроматидами интактными и очевидно случайным образом ( рис. 13.3 ) ( Annunziato, 2005 ). Однако этот процесс наследования плохо понят, как и процесс, посредством которого новые гистоны могли бы приобретать эпигенетическую информацию. Популярная модель состоит в том, что новые нуклеосомы модифицируются в результате того, что они находятся вблизи старых нуклеосом ( Jenuwein, 2001 ), однако данные в пользу этого гипотетического процесса отсутствуют, и необходимо рассматривать альтернативные средства воспроизведения эпигенетического состояния ( Неnikoff and Ahmad, 2005 ). Каким образом эпигенетическая информация наследуется дочерними клетками, остается главным невыясненным вопросом биологии, и изучение вариантов гистонов и механизмов их откладки может дать ответ на этот вопрос.
