Чарльз Эллис - Эпигенетика

Универсальной характеристикой гетерохроматина является передача «молчащего» состояния по наследству. Это означает, что формирование гетерохроматина на дочерних цепях происходит вскоре после репликации. Пионерское исследование вопроса о наследовании состояний хроматина в клеточном цикле принадлежит Миллеру и Насмиту (Miller and Nasmyth, 1984), изучавшим возникновение и потерю сайленсинга на термочувствительных мутантах sir3. Изменение температуры с пермиссивной на непермиссивную приводил к немедленной утрате сайленсинга, что доказывает необходимость продукта гена Sir3 для поддержания репрессированного состояния. Однако в обратных экспериментах при переходе от непермиссивной температуре к пермиссивной немедленного восстановления репрессии не происходило: требовалось прохождение клеточного цикла. Авторы сделали вывод, что для установления наследуемого репрессированного состояния хроматина требуется некое событие в S-фазе клеточного цикла. Позднее было показано, что в действительности требуются события, происходящие в фазах S и G 2/M (Lau et al., 2002).

Рис. 4.10.Спонтанное формирование субкомпартментов сайленсинга

Показана простая модель формирования субъядерных компартментов. (1) Сначала происходит рекрутирование Sir4 в центры нуклеации ДНК-связывающими белками, способными связывать Sir4. В их число входят Rap1, ORC, Abf1 и yKu. (2) Присутствие Sir4 в определенном локусе в свою очередь приводит к его перемещению на ядерную периферию посредством одного из двух Sir4-зависимых путей (yKu или Esc1). (3) Высокая локальная концентрация SIR у ядерной оболочки способствует сборке и распространению комплексов сайленсинга. (4) Способность «молчащих» локусов оставаться связанными с периферией повышает локальную концентрацию SIR-белков и усиливает сайленсинг других локусов в этой области. Важно, что связанный с теломерами yKu может независимо рекрутировать теломеры к ядерной оболочке также, как Sir4 рекурутирует сайленсерные последовательности

Вначале предполагалось, что для установления и наследования «молчащего» хроматина существенно использование ориджинов репликации из связанных с сайленсерами ARS элементов. Однако, на ориджинах локуса HML инициации репликации не наблюдалось, поэтому это объяснение сочли маловероятным. И действительно, в экспериментах по замене ORC химерным белкос GDB-Sir1 было окончательно доказано, что срабатывание ориджинов репликации не имеет существенного значения для наследования «молчащего» хроматина. С другой стороны, исследования в нескольких направлениях показывали, что прохождение через S-фазу необходимо для формирования гетерохроматина. Это широко трактовалось как необходимость в репликации ДНК и связанной с нею пересборке нуклеосомной структуры. Однако недавние эксперименты показали, что установка репрессированного состояния может происходить и в отсутствие репликации ДНК (Kirchmaier and Rine, 2001; Li et al., 2001). Следовательно, искомыми факторами, необходимыми для формирования репрессированного хроматина, могут быть какие-то белки, специфически активируемые во время поздней S-фазы или играющие специфическую роль на границе S-G 2фаз. Таковыми могут быть вновь синтезируемые гистоны или модифицирующие их ферменты. Также среди них могут быть шапероны, такие как CAF1 (chromatin assembly factor 1), обеспечивающие критические этапы сборки гистонов.

Другие исследования показали, что устойчивый сайленсинг достигается не ранее телофазы, то есть существенно позже периода сборки нуклеосом в S-фазе. По-видимому, субъединица когезина Seel ингибирует стабильную репрессию до тех пор, пока не разрушается на границе метафазы и анафазы (Lau et al., 2002). Это согласуется с данными о том, что факторы транскрипции могут успешно нарушать или противодействовать установке «молчащего» хроматина в G 2/М-фазе, но не после того, как клетки прошли М-фазу и вступили в G 1-фазу (Aparicio and Gottschling, 1994). В совокупности эти данные показывают, что помимо какого-то критического компонента или события в S-фазе, необходим дополнительный этап, включающий прохождение митоза и прямо или опосредованно зависящий от утраты сцепления между сестринскими хроматидами.

У дрозофилы активные повторы рДНК расположены по соседству с центромерным гетерохроматином, а у многих высших эукариот ядрышки и конденсированный гетерохроматин расположены рядом друг с другом. Следовательно генетическая и физическая ассоциация белка Sir2 с активно транскрибирующимися повторами рДНК, не зависящая от других SIR-белков, у дрожжей имеет существенное функциональное значение (Gotta et al., 1997). И действительно, Sir2 подавляет рекомбинацию рДНК (Gottlieb and Esposito, 1989) и репрессирует транскрибируемые PH К-полимеразой II гены-репортеры, встроенные в область рДНК-повторов. Из-за своей тандемно повторенной организации рДНК склонна к процессам неэквивалентной рекомбинации, приводящим к изменению числа ее повторов. С такой нестабильностью связаны и процессы возникновения кольцевых внехромосомных молекул рДНК (рис. 4.11) (Sinclair and Guarente, 1997). Sir2 требуется и для репрессии репортерных генов, встроенных в рДНК, и для предотвращения аберрантной рекомбинации, ведущей к потере повторов рДНК. Вероятными механизмами его действия являются позиционирование нуклеосом (Fritze et al., 1997) и выравнивание сестринских хроматид относительно друг друга, предотвращающее события неравного обмена (Kobayashi et al., 2004).

Наиболее неожиданным фенотипическим эффектом нуль-мутаций Sir2 является уменьшение продолжительности жизни, которое у дрожжей не связано напрямую с нарушением теломерной репрессии и уменьшением длины области TG-повторов. Короткоживущий фенотип дефектных по Sir2 дрожжей проявляется в том, что они проходят в среднем менее 12 клеточных делений по сравнению с 20—25 у дрожжей дикого типа (Kaeberlein et al., 1999). В настоящее время твердо установлено, что образование и накопление внехромосомных кольцевых молекул рДНК (ERC) в результате неэквивалентной рекомбинации у дрожжей коррелирует со старением (рис. 4.11). Важно отметить не только то, что при потере Sir2 уменьшается продолжительность жизни дрожжей, но и что при суперэкспрессии Sir2, сопровождающейся увеличением количества его комплексов с рДНК, продолжительность жизни увеличивается. Другие мутации, уменьшающие эффективность вырезания рДНК, например элиминация барьерного белка репликативных вилок Fobl (Defossez et al., 1999), также увеличивают продолжительность жизни дрожжей, также как искусственная продукция ERC достаточна для индукции клеточного старения (Sinclair and Guarente, 1997). Итак, у дрожжей нестабильность рДНК явно коррелирует со старением, хотя ее роль в старении может быть и непрямой. Согласно одной из моделей высокое содержание ERC «вытитровывает» белки репарации и репликации ДНК из других участков генома и тем самым приводит к накоплению повреждений и/или уменьшению репликации генома.