Теломеры: эпигенетический контроль структуры и функций теломер
Проблема репликации концов ДНК ( теломер ) возникает в связи с тем, что ДНК-полимеразе требуется праймер для инициации синтеза в направлении 5' к 3' "отстающей нити"; следствием этой ограниченной активности фермента оказывается тот факт, что репликация не может проходить до самого конца хромосомы ( Lue, 2004 ). Для преодоления этой проблемы используются два механизма. Преобладающий механизм, используемый большинством организмов, в том числе дрожжами, млекопитающими и растениями, включает необычный ферментативный комплекс, известный как теломераза . Теломеры у большинства эукариот состоят из простых повторов длиной 6 п.н., распространяющихся на расстояние от десятков до сотен тысяч пар оснований. Теломеразные комплексы содержат энзиматическую активность, подобную обратной транскриптазе , а также РНК, обладающими гомологией с теломерными повторами. Суть дела состоит в том, что репликация конца выполняется путем "нацеливания" этого комплекса на теломерные повторы с помощью РНК-компонента; за этим следует обратная транскрипция (3' к 5'), производящая новые повторы. Интересно, что утрата теломеразной активности и укороченные теломеры коррелируют с клеточным дряхлением и старением и, наоборот, раковые клетки обнаруживают повышенную теломеразную активность и удлиненные теломеры ( Blasco, 2005 ).
Существуют также независящие от теломеразы механизмы поддержания хромосомных концов ( Louis and Vershinin, 2005 ). Одна хорошо изученная альтернативная система, по-видимому, ограничена дрозофилой и другими двукрылыми. У этих организмов теломераза не идентифицируется, а концы не содержат простых, коротких повторов, обнаруживаемых у большинства других эукариот. Вместо этого концы хромосом Drosophila состоят из перетасованных кластеров различных ретротранспозонов типа non-LTR ( LTR - длинный терминальный повтор), размеры которых варьируют от 3 до 5 т.п.н., и других повторов ( TAS - telomere-associated repeats) ( Biessmann and Mason, 2003 ). Эти транспозоны кодируют ферменты типа обратной транскриптазы (отсюда retrotransposon), позволяя предполагать, что здесь имеется эволюционное родство с более стандартными теломеразными механизмами. Основное различие, однако, заключается в том, что хромосомы Drosophila не реплицируются до самого конца; они теряют примерно 70 п.н. на мушиное поколение, т.е. примерно то самое количество, которое ожидается в связи с проблемой репликации концов. Эта утрата не вызывает делеции существенных генов, потому что домены теломерных и субтеломерных повторов имеют длину около 50-100 т.п.н., и потребовалось бы много поколений, чтобы потерялось достаточное количество ДНК и были достигнуты участки с генами. Эта утеря теломерных последовательностей компенсируется нечастым, однако, добавлением ретротранспозонов типа non-LTR ( Biessmann and Mason, 2003 ).
Эпигенетическая регуляция затрагивает функции теломер и экспрессию генов, находящихся в этом районе. "Голая" теломерная ДНК или внутренние DSBs приводят к хромосомным слияниям и анеуплоидии. Барбара МакКлинток (Barbara McClintock) первой описала явление, известное как цикл "разрыв- слияние-мостик", в котором слияния между разорванными хромосомами или слияния концов хромосом производят дицентрические хромосомы и анафазные мосты, которые генерируют дальнейшие разрывы. Доказательства эпигенетической регуляции теломерной защиты концов хромосом вытекает из исследований на Drosophila, показавших, что она не зависит от нуклеотидных последовательностей ДНК. Оторванный конец хромосомы у Drosophila может вести себя как DSB в одном поколении, но действует как полностью функциональная теломера впоследствии, без какого-либо добавления ретротранспозонов или каких- либо изменений последовательности ( Ahmad and Golic, 1998 ). Более того, любой конец, созданный у Drosophila (известно как "терминальные делеции), может быть упакован как теломера и защищен от событий слияния ( Karpen and Spradling, 1992 ). Кроме того, у Schizosaccharomyces pombe теломерные функции зависят от белка Taz1 ( Miller and Cooper, 2003 ) и теломерного хроматина, и эта зависимость не связана с каноническими теломерными повторами ( Sadaie et al., 2003 ).
Теломерные районы содержат модификации хроматина и обладают свойствами, сходными с перицентромерным гетерохроматином . Характеристика эпигенетических механизмов, регулирующих теломерные и субтеломерные районы, была получена в исследованиях экспрессии генов у дрожжей и Drosophila, но наблюдается также у человека. Сайленсинг эухроматиновых генов, вставленных в теломерные районы, варьирует. Это явление называется теломерным эффектом положения ( ТРЕ , telomere position effect); оно похоже на эффект положения мозаичного типа ( PEV , position- effect variegation), индуцируемый соседним центромерным гетерохроматином у мух и S. pombe (детали см. в главах " DROSOPHILA: ЭФФЕКТ ПОЛОЖЕНИЯ, ГЕТЕРОХРОМАТИН И САЙЛЕНСИНГ ГЕНОВ " и " ЭПИГЕНЕТИКА SCHIZOSACCHAROMYCES РОМВЕ И NEUROSPORA CRASSA ", соответственно). У почкующихся дрожжей многие факторы, связанные с хроматином, такие как белки SIR , влияющие на сайленсинг типа спаривания, влияют также на сайленсинг, индуцируемый теломерой (глава " ЭПИГЕНЕТИКА ДРОЖЖЕЙ S. CEREVISIAE "). Удивительно, что почти ни один из генов, регулирующих PEV у Drosophila (супрессоры и энхансеры мозаицизма, Su(var)s и E(var)s , описанные в главе " DROSOPHILA: ЭФФЕКТ ПОЛОЖЕНИЯ, ГЕТЕРОХРОМАТИН И САЙЛЕНСИНГ ГЕНОВ "), никак не влияет на теломерный сайленсинг. Это заставляет предположить, что РЕV и ТРЕ опосредованы, по крайней мере отчасти, разными механизмами ( Cryderman et al., 1999 ; Donaldson et al., 2002 ).
Гетерохроматиновый белок 1 ( HP1 , продукт гена Su(var)) и метилирвание НЗК9 , которые являются ключевыми компонентами сайленсинга, опосредованного хроматином (глава " RNAi и сборка гетерохроматина "), присутствуют в теломерах Drosophila и необходимы для удлинения теломер ( рис. 14.4 ) ( Perrini et al., 2004 ). Результатом делеции НР1 или его партнера по связыванию HOAP (сокращение для HP1/ORC-associated protein) оказывается очень высокая частота теломерных слияний ( Cenci et al., 2003 ). НР1 обычно рекрутируется к хроматину благодаря своему сродству к метилированному НЗК9 через хромодомен. Интересно, что кэпирование теломеры белком НР1 не зависит от метилирования НЗК9; это позволяет предполагать, что защита концов опосредуется альтернативным механизмом, в котором участвует прямое связывание с теломерной ДНК или нетеломерными последовательностями, присутствующими в терминальных делециях ( рис. 14.4а ) ( Perrini et al., 2004 ). Одна из привлекательных моделей сводится к тому, что НР1 связывается и защищает концы независимо от нуклеотидной последовательности ДНК, затем рекрутирует неизвестную НКМТ НЗК9; локальное метилирование НЗК9 могло бы затем рекрутировать к этому участку большие количества НР1, что стимулирует распространение теломерного сайленсинга ( рис. 14.4 ). Этот механизм, вероятно, не требует средств RNAi, участвующих в установлении и сайленсинге центромерного гетерохроматина (глава " RNAi и сборка гетерохроматина "), но этот компонент модели нуждается в прямой проверке.
Проведенные исследования показали, что у млекопитающих зависимое от теломеразы удлинение теломеры также регулируется эпигенетически ( Lai et al., 2005 ). Например, мыши с делецией обеих копий HKMTs НЗК9, Su(var)39h1/2, имеют теломеры с редуцированными уровнями НЗК9mе2 и НЗК9mеЗ и демонстрируют аномально длинные теломеры ( рис. 14.4 ,б) ( Garcia-Cao et al., 2004 ). Эти результаты позволяют предполагать, что активность НКМТ Suvar39h1/2 превращает модификацию НЗК9mе в ди- и триметилированные формы, облегчая связывание гомологов НР1, Cbx3 и Cbx5 , которые необходимы для сборки нормальной структуры теломерного хроматина и регуляции длины теломер.
Наконец, эпигенетические модификации, происходящие в теломерах, влияют также и на мейотическую рекомбинацию и передачу хромосом. Например, у почкующихся дрожжей утрата Ndj1 , теломерного белка, необходимого как для формирования теломерного букета (т.е. образования кластера), так и для мейотической рекомбинации ( Wu and Burgess, 2006 ), приводит к резкой редукции частоты теломерных делеций ( Joseph et al., 2005 ). Джозеф и сотрудники предполагают, что Ndj1 облегчает теломерную делецию, "стимулируя взаимодействия теломер в ходе мейоза, что приводит к эффективному увеличению содержания факторов, необходимых для делеции". Аналогичным образом, мутанты, дефектные по транскрипционному сайленсингу генов, помещенных поблизости от теломер, демонстрируют серьезные нарушения в мейотическом спаривании и рекомбинации, что приводит к неправильной агрегации во время мейоза ( Nimmo et al., 1998 ). Таким образом, эпигенетические события, которые контролируют как длину теломер, так и транскрипционную компетентность, используются также в процессах, контролирующих поведение хромосом в ходе мейоза.
