Чарльз Эллис - Эпигенетика

Рис. 3.16.Клеточная идентичность, определяемая белками PcG u trxG

В ходе эмбриогенеза устанавливаются два клеточных компартмента, различающихся по своему дифференцировочному потенциалу: это зародышевые клетки (тотипотентные) и соматические клетки (включая стволовые клетки) с ограниченными дифференцировочными потенциями. Пластичность потенциала экспрессии генома зародышевых или стволовых клеток отражается в сниженных уровнях репрессивных гистоновых меток, которые больше не видны в околоцентромерных фокусах. Нормальные пролиферирующие клетки обычно обладают ядерной морфологией с 15–20 гетерохроматиновыми фокусами. Комплексы, содержащие Polycomb и Trithorax, действуют, определяя эпигенетическую и, отсюда, клеточную идентичность разных линий. Они функционируют также в ответ на внешние «стрессорные» воздействия, стимулируя клеточную пролиферацию и соответствующую экспрессию генов. В стареющих клетках происходит утрата пластичности генома и пролиферационного потенциала, что находит свое отражение в аномально крупных гетерохроматиновых фокусах и в общем повышенном уровне репрессивных гистоновых меток. Однако интенсивно пролиферирующие опухолевые клетки обнаруживают изменения в балансе репрессивных и активирующих гистоновых меток через дерегуляцию модифицирующих гистоны энзимов PcG и trxG. Это сопровождается нарушениями ядерной морфологии

В случае клеточного старения увеличение уровня реперессивных меток гистонов также является индикатором клеточной дисфункции. Такое увеличение, сопровождаемое сниженным выявлением ацетилирования гистонов, может укрепить и даже повысить уровни «молчащего» хроматина, блокируя клеточную пластичность и направляя клетки в антипролиферативное состояние (Scaffidi et al., 2005). Это в значительной мере связанный с возрастом эффект, хотя особое болезненное состояние, прогерия, может преждевременно ускорять старение. Напротив, когда у мутантов, не имеющих трансдуцирующего энзима (Suv39h), снижается уровень репрессивных перицентромерных метальных меток, клетки обнаруживают повышенные скорости иммортализации, отсутствие старения и повышенную нестабильность генома (Braig et al., 2005). Эти примеры являются иллюстрацией того, что дерегуляция хроматина, которая проявляется в уровнях характерных гистоновых меток, часто трансдуцируемых энзимами PcG и trxG, и ядерная морфология оказываются важным индикатором прогрессии болезни.

Сайленсинг генов, опосредованный PcG, и инактивация Х-хромосомы являются лучшими примерами регулируемых в развитии переходов между активным и неактивным состояниями хроматина (рис. 3.17), часто называемого факультативным гетерохроматином. Он назван так в противоположность конститутивному гетерохроматину (например, в околоцентромерных доменах), который, по умолчанию, может быть индуцирован в некодирующих и высокоповторяющихся районах. Факультативный гетерохроматин встречается в кодирующих районах генома, где сайленсинг генов зависит от принимаемых в ходе развития решений, определяющих различные клеточные судьбы (а иногда и ревертируется этими решениями).

Один из лучше всего изученных примеров образования факультативного гетерохроматина — инактивация одной из двух Х-хромосом у самок млекопитающих для выравнивания дозы экспрессии сцепленных с Х-хромосомой генов с самцами, обладающими только одной Х-хромосомой (и гетероморфной У-хромосомой) (глава 17). Здесь сайленсинг генов по всей неактивной Х-хромосоме (Xi) индуцирует высокую степень компактизации Xi, которая видна как тельце Бара, локализованное на периферии ядра клеток у самок млекопитающих. Как подсчитываются две аллели Х-хромосом и каким образом одна определенная Х-хромосома выбирается для инактивации — эти вопросы стоят на повестке дня сегодняшних эпигенетических исследований.

Инактивация Х-хромосомы происходит с участием большой (~17 т. н.) РНК, Xist , которая, по-видимому, действует как первичный триггер ремоделинга хроматина в Xi. Хотя существует возможность образования dsRNA между Xist и антисмысловым транскриптом Tsix (экспрессируемым лишь до начала инактивации X), нет никаких сколько-нибудь убедительных доказательств участия зависящих от РНКи механизмов в инициации инактивации X. Центр инактивации X (XIC, X inactivation center) и вероятные сайты «вхождения» или «докинга» в ДНК (постулируется, что это специализированные повторяющиеся элементы ДНК, которыми обогащены Х-хромосомы) играют роль в ассоциации A7tf-PHK и функционирования ее в качестве молекулы-скаффолда, декорируюшей Xi в cis. Xist стимулирует рекрутирование, а также действие и комплекса PRC 1 (репрессивный комплекс polycomb), и комплекса PRC2, участвующих в образовании стабильной неактивной Х-хромосомы. В число компонентов PRC2 входит, например, модифицирующий хроматин фермент EZH2 из группы HKMT, который катализирует H3K27me3. Связыванию комплекса PRC1 могут способствовать и H3K27me3, и механизмы, не зависящие от модификации гистонов, тогда как другие компоненты этого комплекса, такие как белки Ringl, убиквитинируют Н2А. Гетерогенность комплексов PcG такова, что различные его компоненты могут действовать независимо от других компонентов комплекса. Модификации хроматина, связывание комплекса PcG, последующее включение гистонового варианта макроН2А вдоль Xi и экстенсивное метилирование ДНК — все эти процессы вносят вклад в образование структуры факультативного гетерохроматина во всей хромосоме Xi. Коль скоро стабильная гетерохроматиновая структура установлена, для ее поддержания Xist -РНК больше не нужна (Avner and Heard, 2001; Heard, 2005). Аналогичной формой моноаллельного сайленсинга является геномный импринтинг, также использующий некодирующую или антисмысловую РНК для сайленсирования одной аллельной копии в зависимости от того, от кого из родителей эта копия происходит (глава 19). В настоящее время неясно, влияют ли ES-клетки от мутантных по Dicer мышей на процессы инактивации X или на геномный импринтинг и, если влияют, то каким образом.

Рис. 3.17.Индукция репрессированных состояний хроматина, направляемая РНК

Разные формы «молчащего» хроматина имеют различные первичные сигналы, но многие из них, вероятно, связаны с РНК-транскриптами (от аберрантных транскриптов к Xist-PHK и, далее, к dsRNAs), в зависимости от природы соответствующей нуклеотидной последовательности ДНК. Это включает установление набора изменений хроматина, в том числе комбинации модификаций гистонов (метилирование H3К9, H3К27 и H4K20), связывание репрессивных белков или комплексов (например, РС или НР1) с хроматином, метилирование ДНК и присутствие вариантов гистонов (например, макроH2A на неактивной Х-хромосоме) Факультативный или конститутивный гетерохроматины образуют видимые кластеры в ядре Эухроматиновую репрессию по картинам ядерной морфологии определить нельзя