Различие между эухроматином и гетерохроматином
Существуют множественные формы хроматинов обоих классов - эухроматина и гетерохроматина.
Эухроматин, или "активный" хроматин, состоит в основном из кодирующих последовательностей, составляющих лишь небольшую долю (менее 4%) генома млекопитающих. Какие же молекулярные сигналы маркируют тогда кодирующие последовательности, обладающие потенциалом для продуктивной транскрипции, и каким образом структура хроматина вносит свой вклад в этот процесс? Обширная литература позволяет предполагать, что эухроматин существует в "открытой" (декомпактизированной), более чувствительной к нуклеазам конфигурации, делающей его "готовым" к экспрессии генов, хотя и не обязательно транскрипционно активным. Некоторые из этих генов экспрессируются повсеместно (гены "домашнего хозяйства"); другие регулируются ходом развития или индуцируются в ответ на внешние стрессорные факторы. Транскрипцию генов включает совместное действие избранных m-действующих нуклеотидных последовательностей ДНК (промоторов, энхансеров и участков контроля локусов), связанных с комбинациями trans-действующих факторов, вместе с РНК-полимеразой и ассоциированными факторами ( Sims et al., 2004 ). В совокупности эти факторы подверглись жесткому отбору в ходе эволюции, чтобы инструментовать сложные ряды биохимических реакций, которые должны происходить в "правильной" пространственной и временной последовательности. Обеспечивает ли хроматин "систему индексирования", гарантирующую, что вышеописанная машинерия сможет получить доступ к своим целевым последовательностям в клетках соответствующего типа?
На уровне ДНК соседние с промоторами области, богатые AT, часто лишены нуклеосом и могут существовать в жесткой, неканонической конфигурации ДНК (В-форма), способствующей размещению транскрипционного фактора (TF) ( Mito et al., 2005 ; Sekinger et al., 2005 ). Однако размещения TF недостаточно для обеспечения транскрипции. Рекрутирование механизмов [machines] ремоделинга нуклеосом посредством индукции активирующих модификаций гистонов (например, ацетилирование и метилирование НЗК4) облегчает взаимодействие с механизмами транскрипции; в настоящее время определяют, каким образом это происходит (см. рис. 3.9 и главу " МОДИФИКАЦИИ ХРОМАТИНА И МЕХАНИЗМ ИХ ДЕЙСТВИЯ "). Замена вытесненных гистонов гистоновыми вариантами, после того как механизм транскрипции распутал и транскрибировал хроматиновую фибриллу, обеспечивает целостность хроматиновой матрицы ( Ahmad and Henikoff, 2002 ). Однако образование полностью созревших иРНК также требует протекания посттранскрипционных процессов, в том числе сплайсинга , полиаденилирования и экспорта из ядра.
Таким образом, собирательный термин "эухроматин" скорее всего обозначает сложное состояние (состояния) хроматина, охватывающее динамичную и сложную смесь механизмов [machines], тесно взаимодействующих друг с другом и с хроматиновой фибриллой и предназначенных для осуществления транскрипции функциональных РНК. Выяснение "правил", определяющих, каким образом, в самом общем смысле, эти "активирующие механизмы" ["activating machinery"] взаимодействуют с аппаратом транскрипции, а также с хроматиновой матрицей - волнующая область современных исследований, хотя в силу динамичной природы матрицы эту область, строго говоря, можно относить не к эпигенетике, а, скорее, к исследованиям динамики транскрипции и хроматина.
Что же тогда обозначает термин "гетерохроматин"? Хотя в исторической ретроспективе он изучен хуже, чем эухроматин, новые открытия заставляют считать, что гетерохроматин играет критически важную роль в организации и правильном функционировании геномов, начиная с дрожжей и кончая человеком (хотя у S. cerevisiae особая форма гетерохроматина). Его потенциальное значение подчеркивается тем фактом, что 96% генома млекопитающих состоит из некодирующих и повторяющихся последовательностей. Новые открытия, касающиеся механизмов формирования гетерохроматина, выявили неожиданные вещи. Например, транскрипция, неспецифичная по отношению к последовательности и дающая двуспиральную РНК (dsRNA), подвержена сайленсингу по механизму, подобному РНК-интерференции (RNAi) . Образование таких dsRNAs действует как "сигнал тревоги", отражая тот факт, что соответствующая нуклеотидная последовательность ДНК не может генерировать функциональный продукт или инвазирвана РНК-транспозонами или вирусами. Эта dsRNA подвергается затем процессингу с помощью Dicer и нацеливается на хроматин комплексами, предназначенными для инициации каскада событий, ведущих к формированию гетерохроматина. В результате использования ряда модельных систем был достигнут заметный прогресс в анализе того, что, по-видимому, является высококонсервативным метаболическим путем, ведущим к "запертому" ["locked-down"] состоянию гетерохроматина. Хотя точная последовательность и детали событий могут варьировать, этот общий путь включает деацетилирование гистоновых "хвостов", метилирование специфических остатков лизина (например, НЗК9), рекрутирование ассоциированных с гетерохроматином белков (например, НР1) и метилирование ДНК ( рис. 3.9 ). Вполне вероятно, что секвестрирование отдельных участков генома в репрессивных ядерных доменах или территориях может усилить формирование гетерохроматина.
Интересно, что все большее количество данных позволяет предполагать, что гетерохроматин может быть "состоянием по умолчанию", по крайней мере у высших организмов, и что присутствие сильного промотора или энхансера, продуцирующего эффективный транскрипт, может "пересилить" гетерохроматин.
Общие концепции сборки гетерохроматина приложимы, по-видимому, даже к низшим эукариотам. В число основных особенностей входят гипоацетилированные "хвосты" гистонов, что сопровождается связыванием чувствительных к ацетилированию белков гетерохроматина (например, белки SIR ). В зависимости от вида грибов (например, почкующиеся vs. дробянковые дрожжи) наблюдаются различные объемы метилирования гистонов и HP1 -подобных белков. Даже при том, что эти геномы в большей степени настроены на общее, "по умолчанию", состояние готовности к транскрипции, имеются некоторые гетерохроматин-подобные районы генома (локусы спаривания, теломеры, центромеры и т.д.), которые способны супрессировать транскрипцию генов и генетическую рекомбинацию, когда тестируемые гены оказываются в этом новом соседстве.
Какие полезные функции мог бы обслуживать гетерохроматин? Определение центромер , участка конститутивного гетерохроматина , хорошо коррелирует с неким наследуемым эпигенетическим состоянием и, как полагают, эволюционно направляется самым крупным объединением в кластеры повторов и повторяющихся элементов на хромосоме. Это разбиение [partitioning] обеспечивает крупные и относительно стабильные гетерохроматиновые домены, маркированные репрессивными "эпигенетическими сигнатурами", облегчающими сегрегацию хромосом в митозе и мейозе (см. " ЭПИГЕНЕТИЧЕСКАЯ РЕГУЛЯЦИЯ ХРОМОСОМНОГО НАСЛЕДОВАНИЯ "). Здесь стоит заметить, что центромерные повторы и соответствующие эпигенетические метки, ассоциирующиеся с ними, дуплицировались и переместились на другие хромосомные плечи для создания "молчащих доменов" у таких организмов, как дробянковые дрожжи . Конститутивный гетерохроматин в теломерах (защитных концах хромосом) аналогичным образом обеспечивает стабильность генома, выступая в роли хромосомных " кэпов ". Наконец, известно, что формирование гетерохроматина является механизмом защиты от инвазивной ДНК. В совокупности эти открытия подчеркивают тот общий взгляд, что гетерохроматин обслуживает важные функции по поддержанию генома, которые могут соперничать даже с функциями самого эухроматина.
Подводя итог, можно сказать, что широкие функциональные различия между эухроматином и гетерохроматином в настоящее время можно приписать трем известным характеристикам хроматина. Во-первых, это природа нуклеотидной последовательности ДНК - например, содержит ли она обогащенную AT "жесткую" ДНК поблизости от промоторов, повторяющиеся последовательности и (или) последовательности, связывающие репрессоры, которые сигнализируют об ассоциации фактора. Во-вторых, качество РНК, продуцируемой в ходе транскрипции, определяет, будет ли она полностью подвергнута процессингу в иРНК, которая может быть транслирована, или же эта РНК будет деградирована или помечена для использования механизмом RNAi в целях гетерохроматинизации. В-третьих, пространственная организация в ядре может играть существенную секвестрирующую роль в поддержании локальных конфигураций хроматина.
