Роль хроматина в эпигенетической передаче информации
Многие годы признавалось, что белки, связанные с ДНК в эукариотном ядре, особенно гистоны , могут участвовать в модификации свойств ДНК. Задолго до начала работ по метилированию ДНК Стедман и Стедман ( Stedman and Stedman, 1950 ) предположили, что гистоны могут действовать как общие репрессоры экспрессии генов. Они писали, что поскольку все соматические клетки организма имеют одно и то же число хромосом, они имеют одинаковый генетический набор (хотя, как отмечается выше, это оставалось не доказанным еще несколько лет). Понимание тонкой природы модификаций гистонов было в далекой перспективе, так что Стедманы оперировали предположением, что разные типы клеток в организме, чтобы генерировать наблюдаемые различия в фенотипе, должны обладать различными типами гистонов. Гистоны действительно могут снижать содержание транскриптов до уровней гораздо ниже тех, что наблюдаются для неактивных генов у прокариот. Последующая работа была направлена на способность хроматина служить матрицей для транскрипции и на решение вопроса о том, ограничена ли эта способность специфичным для клеточного типа образом.
В работе 1963 года Боннер ( Bonner et al., 1963 ) приготовил хроматин из продуцирующей глобулин ткани растения гороха и показал, что, когда добавляли РНК-полимеразу из Е. coli и получающийся в результате транскрипт транслировали в системе in vitro, можно было выявить глобулин. Такой результат был специфичен для данной ткани. С пришествием методов гибридизации в таких экспериментах in vitro можно было исследовать популяции транскриптов ( Paul and Gilmour, 1968 ); они оказались специфичными для той конкретной ткани, из которой был получен хроматин. Другие результаты позволяли предполагать, что эта специфичность отражает ограничения в доступе к сайтам инициации транскрипции ( Cedar and Felsenfeld, 1973 ). Тем не менее, был период, когда все полагали, что гистоны являются супрессорными белками, которые пассивно подавляют экспрессию генов. С этой точки зрения, активация гена означает просто "сдирание" с него гистонов; считалось, что коль скоро это сделано, транскрипция будет осуществляться почти как у прокариот. Имелись, однако, некоторые данные о том, что в эукариотических клетках нет более или менее протяженных районов открытой ДНК ( Clark and Fesenfeld, 1971 ). Более того, даже если модель "голой" ДНК является правильной, было неясно, каким образом принимается решение о том, какие из покрытых гистонами участков должны быть очищены.
Решение этой проблемы началось еще в 1964 году, когда Олфри ( Allfrey et al., 1964 ) высказал спекулятивное соображение, что с активацией генов могло бы коррелировать ацетилирование гистонов и что "активный" хроматин не обязательно должен быть лишен гистонов. В последующее за этим десятилетие наблюдался огромный интерес к изучению взаимоотношений между модификациями гистонов и экспрессией генов. Были идентифицированы иные, чем ацетилирование, модификации ( метилирование и фосфорилирование ), но их функциональное значение оставалось неясным.
Исследовать эту проблему стало гораздо легче после открытия Корнбергом и Томасом ( Kornberg and Thomas, 1974 ) структуры нуклеосомы , фундаментальной субъединицы хроматина. Определение кристаллической структуры нуклеосомы, сначала с разрешением 7 Е, а потом с разрешением 2,8 Е также дало важную структурную информацию, в частности данные о вытягивании аминотерминальных "хвостов" гистонов за пределы кора "ДНК-белковый октамер", что делало очевидной их доступность для модификаций ( Richmond et al., 1984 ; Luger et al., 1997 ). Начав в 1980 году и продолжив свои исследования на протяжении еще нескольких лет, Грунштейн (Grunstein) и его сотрудники ( Wallis et al., 1980 ; Durrin et al., 1991 ), применив генетический анализ на дрожжах, смогли показать, что аминотерминальные хвосты гистонов имеют важное значение для регуляции экспрессии генов и для формирования "молчащих" доменов хроматина.
Окончательная привязка к детальным механизмам началась с того, что Эллис (Allis) ( Brownell et al., 1996 ) показал, что ацетилтрансфераза гистонов из Tetrahymena гомологична регулятору транскрипции у дрожжей, белку Gcn5 ; это явилось прямым доказательством того, что ацетилирование гистонов связано с контролем экспрессии генов. С тех пор, конечно, произошел буквально взрыв открытий модификаций гистонов, а также переоценка роли тех из них, которые уже были известны прежде.
Все это еще не было ответом на вопрос о том, каким образом сайты для модификации выбираются in vivo. Было показано, например ( Pazin et al., 1994 ), что Gal4-VP16 может активировать транскрипцию с реконструированной хроматиновой матрицы зависимым от АТФ образом. Активация сопровождалась репозиционированием нуклеосом, и было высказано предположение, что это является критическим событием в обеспечении доступности промотора . Для более полного понимания значения этих открытий потребовалась идентификация АТФ-зависимых комплексов ремоделинга нуклеосом, таких как SWI/SNF и NURF ( Peterson and Herskowitz, 1992 ; Tsuiyama and Wu, 1995 ), и понимание того, что в подготовке хроматиновой матрицы к транскрипции участвуют и модификации гистонов, и ремоделинг нуклеосом.
Оставалось неясным, каким образом, с использованием этих механизмов, информация о состоянии активности могла бы передаваться при клеточном делении; была, таким образом, неясна их роль в эпигенетической передаче информации. Следующим важным шагом стало понимание того, что модифицированные гистоны рекрутируют специфичным в отношении данной модификации образом белки, которые могут влиять на локальные структурные и функциональные состояния хроматина. Было, например, обнаружено, что метилирование лизина 9 в гистоне НЗ приводит к рекрутированию белка НР1 гетерохроматина ( Bannister et al., 2001 ; Lachner et al., 2001 ; Nakayama et al., 2001 ). Более того, HP1 мог рекрутировать энзим (Suv39hl), отвечающий за метилирование . Это привело к созданию модели воспроизведения сайленсированного состояния хроматина по всему данному участку посредством процессивного [processive] механизма ( рис. 2.1а ). В равной степени важно, что это обеспечило разумное объяснение того, каким образом это состояние может быть передано и сохранено в цикле репликации ( рис. 2.1б ). Были предложены аналогичные механизмы для воспроизведения активного состояния, включающие метилирование лизина 4 в гистоне НЗ и рекрутирование белков группы Trithorax ( Wysocka et al., 2005 ).
Были предложены различные типы механизмов воспроизведения, которые зависели не от модифицированных, а от вариантных гистонов ( Ahmad and Henikoff, 2002 ; McKittrick et al., 2004 ). Гистон НЗ включается в хроматин только во время репликации ДНК. Напротив, вариант этого гистона, НЗ.З, отличающийся от НЗ четырьмя аминокислотами, включается в нуклеосомы не зависящим от репликации образом и имеет тенденцию накапливаться в активном хроматине, где он обогащается "активными" модификациями гистонов ( McKittrick et al., 2004 ). Предположили, что для поддержания активного состояния достаточно присутствия НЗ.З и что после репликации остается достаточно НЗ.З для поддержания активного состояния, хотя он и разбавляется вдвое. Последующая транскрипция приводила бы к замещению нуклеосом, содержащих НЗ, вариантом НЗ.З, воспроизводя таким образом это активное состояние в следующем поколении.
