Чарльз Эллис - Эпигенетика

Транскрипционный сайленсинг генов наблюдали также для повторяющихся последовательностей (RIGS; repeat-induced gene silencing), особенно у растений. Анализ затрагиваемых последовательностей обнаружил появление эпигенетических меток (метилирование гистонов и ДНК), аналогичных тем, которые обнаруживаются в гетерохроматине и в районах, сайленсированных PEV. Если ввести в Arabidopsis фрагменты ДНК, содержащие тандемно расположенные гены люциферазы, наблюдается мозаичная экспрессия люциферазы. Опять-таки, за наблюдаемый сайленсинг генов отвечает формирование гетерохроматина. Лежащие в основе этого молекулярные механизмы консервативны у высших эукариотических организмов.

Центральной особенностью сайленсинга гетерохроматиновых генов у Drosophila является взаимодействие НР1 с H3K9me2 и HKMT SU(VAR)3-9. НР1 консервативен от дрожжей Schizosaccharomyces pombe до человека и неизменно связан с перицентромерным гетерохроматином. Гены НР1 человека можно использовать для «спасения» нехваток [deficiency] у Drosophila (Ма et al., 2001). Однако у растений НР1 как таковой не был идентифицирован. SU(VAR)3-9 представлен еще более широко, будучи идентифицирован у дробянковых дрожжей (Clr4), Neurospora (DIM5), Arabidopsis и млекопитающих (SUV39H). Все эти гомологи (SU(VAR)3-9 катализируют метилирование H3K9 и функционируют в формировании гетерохроматина. Опять-таки, трансген SUV39H1 человека может полностью компенсировать утрату эндогенного белка в мутантных линиях Drosophila (Schotta et al., 2002). У высших растений (Arabidopsis, рис и кукуруза) обнаружено несколько белков (SUVH), гомологичных SU(VAR)3-9 (Baumbusch et al, 2001). Большое число HKMTs может отражать пластичность развития у растений или необходимость реагировать на факторы внешней среды (см. дальнейшее обсуждение в главе 9). Четыре белка SUVH — SUVH1, SUVH2, SUVH4 (KYP) и SUVH6 - были изучены детально (Jackson et al., 2002; Naumann et al., 2005). Bee они оказались метилтрансферазами H3K9 гистонов. SUVH2 играет центральную роль в контроле состояний гетерохроматина, обнаруживая зависимое от дозы влияние на формирование гетерохроматина, подобное тому, что сообщалось для SU(VAR)3-9 Drosophila (Naumann et al., 2005). Утрата функции SUVH2 сильно подавляет зависимый от повторов сайленсинг, а сверхэкспрессия вызывает значительное усиление такого сайленсинга у растений с люциферазными трансгенами.

Другие гены, идентифицированные с помощью мутаций Su(var) Drosophila , кодируют белки с консервативными функциями. HKMT SUV4-20 была охарактеризована у млекопитающих и у Drosophila (Schotta et al., 2004). У этих организмов она контролирует триметилирование по H4K20. Деметилазы гистонов, ацетилазы и деацетилазы также являются консервативными (Т. Rudolph et al., неопубликовано). Эволюционный консерватизм многих ключевых энзимов, контролирующих модификацию гистонов, говорит в пользу идеи гистонового кода (Jenuwein and Allis, 2001). Однако изучение специфичных для хроматина меток модификации гистонов, наблюдающихся у Drosophila , млекопитающих и растений ( Arabidopsis ), выявляет и некоторые специфичные для рода элементы.

В число существенных признаков конститутивного гетерохроматина у млекопитающих входят H3K9me3, H3K27me1 и H4K20me3 (Peters etal., 2003; Rice etal., 2003; Schotta et al., 2004). Гетерохроматин Drosophila характеризуется H3K9me1/me2, H3K27me1/me2/me3 и H4K20me3 (Schotta et al., 2002, 2004; Ebert et al., 2004). В противоположность млекопитающим у Drosophila H3K9me3 недопредставлен. У млекопитающих H3K9me1 не является меткой гетерохроматина. У Arabidopsis , как у Drosophila, H3K9me1/me2 — метки гетерохроматина, тогда как H3K9me3 — эухроматиновая метка (Naumann et al., 2005). H3K27me1 и H3K27me2 являются гетерохроматиновыми метками у Arabidopsis, тогда как эти же метки у Drosophila обнаруживаются в эухроматине и гетерохроматине. H3K27me3 — исключительно эухроматиновая метка у Arabidopsis. H4K20mel у Arabidopsis является гетерохроматиновым, но H4K20me2 и H4K20me3 — эухроматиновыми. Еще одно бросающееся в глаза различие между Arabidopsis и животными касается хромосомного распределения фосфорилирования H3S10. Эта метка является гетерохроматиновой у Arabidopsis (A. Fischer and G. Reuter, неопубликовано), но эухроматиновой у Drosophila (Wang et al., 2001; Ebert et al., 2004). Сходство и различие в специфичных для гетерохроматина метках модификации гистонов между млекопитающими, Drosophila и Arabidopsis несомненно указывают на то, что гистоновый код не является полностью универсальным, а, скорее, существует в виде разных диалектов. -

Хотя PEV предоставил нам чрезвычайные возможности для изучения формирования гетерохроматина и сайленсинга генов, сам этот фенотип остается загадочным. Почему мы наблюдаем мозаичный паттерн сайленсинга? Что нарушает равновесие, приводя к переключению с активного состояния в «молчащее» или наоборот? Почему этот эффект оказывается клонально наследуемым? PEV обычно анализируется как проблема поддержания репортерного гена в состоянии «ВКЛЮЧЕНО» или «ВЫКЛЮЧЕНО», но во многих случаях (особенно при использовании репортеров на базе Р- элемента) наблюдаются красные фасетки на желтом или бледно-оранжевом фоне, заставляя предполагать, что экспрессия генов была снижена единообразно, но что в некоторых клетках эта даун-регуляция была утрачена. Тщательный анализ таких линий мог бы привести к идентификации состояний хроматина с промежуточным влиянием на экспрессию генов. Хотя эти данные свидетельствуют в пользу грубой модели утраты или поддержания сайленсинга на основе действия масс, окончательная модель будет сложной, включающей многочисленные взаимодействующие белки (см., например, предложения Henikoff, 1996) Соблазнительно рассматривать нуклеосому как суммирующее устройство, собирающее модификации и выдающее результаты в терминах как конкретных паттернов связывания белков, так и возможности ремоделинга в этом районе. Состояние хроматина могло бы тогда отражать результаты конкуренции за достижение различных модификаций. Такая модель могла бы быть полезной в рассортировке отмеченных выше эффектов. Она также совместима с наблюдениями, показывающими, что частота сайленсинга репортера, зависимого от GAL4, чувствительна к уровню содержания GAL4 (Ahmad and Henikoff, 2001).

Система RNAi обеспечивает правдоподобный механизм «нацеливания» формирования гетерохроматина предположительно путем «нацеливания» комплекса, включающего НР1, HKMT H3K9 или оба этих белка. Однако многие вопросы остаются открытыми. Каков источник dsRNA? Должна ли эта РНК продуцироваться в cis -конфигурации (на что указывают результаты, полученные на S. pombe) или же она может действовать в trans -конфигурации (что заставляют предполагать результаты, полученные на растениях); т.е. может ли образование dsRNA с одного сайта 1360 привести к «нацеливанию» на все сайты 1360 ? Являются ли все повторяющиеся элементы потенциальными мишенями? Это кажется маловероятным, если учесть описанные выше данные анализа четвертой хромосомы. Если ключевую роль играет выборка повторяющихся элементов, что определяет этот выбор? Результаты, полученные на четвертой хромосоме, свидетельствуют, что плотность и распределение критичных повторяющихся элементов будет влиять на экспрессию генов, находящихся поблизости. Это говорит о необходимости выявлять этот признак при секвенировании генома.