Формирование гетерохроматина у Drosophila: общие сведения
Как формирование гетерохроматина "нацеливается" у Drosophila?
Хотя многое известно о механистических аспектах и биохимии структуры гетерохроматина, остается открытым вопрос о том, каким образом формирование гетерохроматина "нацеливается" на избранные районы генома в его нормальной конфигурации.
Все гетерохроматиновые домены обладают некоторыми общими чертами, и две такие особенности признаны существенными входными сигналами [inputs] для сборки гетерохроматина на данной нуклеотидной последовательности ДНК: положение локуса относительно пространственно обособленных [distinct] субдоменов гетерохроматина в ядре и присутствие повторяющейся ДНК.
В целом гетерохроматиновые массы видны на периферии ядра и вокруг ядрышка. У эмбрионов Drosophila эта тенденция выражена еще более отчетливо. Гетерохроматиновые массы впервые видны в раннем эмбриогнезе, когда ядра перемещаются к периферии яйца. Раннее развитие у Drosophila является синцитиальным вплоть до 14-го цикла ядерных делений, когда образуются клеточные стенки между ядрами, и образуется типичная бластула (шарик из клеток). Гетерохроматиновый материал (центромеры, четвертая хромосома) концентрируется на одной стороне ядра, ориентированной в сторону внешней поверхности яйца ( Foe and Alberts, 1985 ). Такое пространственное подразделение ядра сохраняется в ходе развития, приводя к концепции [the concept] гетерохроматиновых "компартментов" в ядре. Эти компартменты могут поддерживать высокую концентрацию факторов, необходимых для формирования гетерохроматина (таких как НР1 и HKMTs ), и в то же время могут быть лишены факторов, необходимых для сборки эухроматина и экспрессии генов (таких как HATs и RNApol II ). Действительно, было показано, что близость к гетерохроматиновым массам, как по положению вдоль по длине хромосомы, так и в трех измерениях, является одним из факторов в PEV .
Было показано, что близость к массе центрического [centric] гетерохроматина влияет на мозаицизм как для эухроматиновых генов (примером которых является white ), так и для гетерохроматиновых генов (наиболее изученными примерами которых являются light и rolled ). Можно наблюдать, что гетерохроматиновые гены, картированные в эти домены, обнаруживают мозаичность, когда перестройка помещает их в непосредственной близости от эухроматина; обычно они демонстрируют противоположную зависимость, требуя для полной экспрессии нормальных уровней НР1 и показывая усиление мозаичности, когда количество НР1 мало.
Мозаицизм light зависит не только от его близости к эухроматину, но и от положения точки разрыва, а именно от расстояния от гетерохроматина, измеряемого по длине хромосомного плеча ( Wakimoto and Hearn, 1990 ). Аналогичные данные были опубликованы для rolled . Исследования brown dominant (bwD) , эухроматинового гена, мозаицизм экспрессии которого был индуцирован вставкой повторяющейся ДНК, показали, что сдвиг в степени близости этого локуса к центрическому гетерохроматину может приводить к усилению сайленсинга (если ближе) или подавлению сайленсинга (если дальше) ( Henikoff et al., 1995 ). Аналогичным образом транслокация четвертой хромосомы, несущей репортер white , в дистальную половину хромосомного плеча 2L или 2R приводит к резкой утрате сайленсинга; в ядрах слюнных желез это коррелирует с изменением во внутриядерном расположении, вплоть до того, что часто оказываются занятыми сайты, удаленные от хромоцентра ( Cryderman et al., 1999а ).
В последующем исследовании с использованием микроскопии высокого разрешения изучали как активность гена (используя антитела, специфичные к продукту), так и ядерную локализацию репортера (используя FISH - fluorescence in situ hybridization) в одной и той же клетке в нормальных временных рамках экспрессии. Инверсия, вызывающая мозаицизм white , а также bwD и трансген lacZс мозаичной экспрессией изучались в дифференцирующихся глазных дисках или в глазах взрослых мух. В этом исследовании обнаружили сильную корреляцию между положением репортерного гена в клеточном ядре по отношению к перицентромерному гетерохроматину и уровнем экспрессии, что говорило в пользу существования гетерохроматинового "компартмента" и корреляции между положением в этом компартменте и сайленсингом гена ( Harmon and Sedat, 2005 ). Однако эта корреляция не является абсолютной. Это неудивительно, при том что исследования с репортером white указывают на присутствие как эухроматиновых, так и гетерохроматиновых доменов, чередующихся в маленькой четвертой хромосоме (которая всегда располагается вблизи массы перицентромерного гетерохроматина). Эти последние наблюдения указывают на другие локальные детерминанты, вносящие вклад в упаковку хроматина в той или в другой форме.
У D. melanogaster, согласно оценке по цитологическим критериям, одна треть генома является гетерохроматиновой. Сюда входят крупные блоки, которые фланкируют центромеры, более мелкие блоки, связанные с теломерами, вся Y-хромосома и большая часть маленькой четвертой хромосомы. Центромерные районы состоят из крупных (0,2-1 млн о.) блоков сателлитной ДНК, чередующихся с "островками" сложных нуклеотидных последовательностей, обычно мобильных элементов ( Le et al., 1995 ). Эти районы, хотя и бедны генами, не лишены их вовсе; согласно современным оценкам, в перицентромерном гетерохроматине находятся несколько сотен генов ( Hoskins et al., 2002 ). Теломеры Drosophila не содержат типичных повторов, обогащенных G, которые наблюдаются в других местах, но состоят из копий ретротранспозонов HeT-A и TART . Ассоциированные с теломерами последовательности ( TAS - telomere-associated sequences), блоки из повторов 102-103 нуклеотидов, обнаруживаются в проксимальном положении, и трансгенные репортеры white, вставленные в эти районы, демонстрируют мозаичный фенотип. Хотя Y-хромосома и несет гены для ряда факторов мужской фертильности, основная масса этой хромосомы составлена из сателлитной ДНК, и она остается конденсированной во всех клетках за исключением мужской зародышевой линии. Размеры маленькой четвертой хромосомы порядка 4,3 млн о., в том числе около 3 млн о., состоящих из сателлитной ДНК. Дистальные 1,2 млн о. могут считаться эухроматиновыми в том отношении, что они политенизированы в слюнной железе ( рис. 5.4 ), но, судя по их поздней репликации, полному отсутствию в них мейотических обменов и по их связи с НР1 , НР2 и НЗК9me2 , они, по-видимому, являются гетерохроматиновыми ( рис. 5.4 ). Плотность фрагментов транспозонов в этом районе в шесть-семь раз выше, чем в эухроматиновых плечах, подобно участкам на границе между центрическим гетерохроматином и эухроматином на других хромосомах ( Kaminker et al., 2002 ). Интересно, что в исследованиях четвертой хромосомы с помощью Р-элемента с репортером white, обсуждавшегося выше ( рис. 5.3а ), обнаружили чередование как эухроматиновых доменов (приводящих к "красноглазому" фенотипу) так и гетерохроматиновых доменов (приводящих к мозаичному фенотипу) ( Sun et al., 2004 ).
