Эпигенетика - [41]

12. Polycomb и Trithorax

К числу основных эффекторов, способных передавать сигналы к хроматиновой матрице и участвовать в поддержании клеточной идентичности (т. е. обеспечивать клеточную память), относятся члены групп генов PcG и trxG (Ringrose and Раго 2004). Эти гены были открыты у Drosophila благодаря их роли в регуляции кластера генов Нох в ходе развития и регуляции гомейотических генов. С тех пор было показано, что PcG и trxG являются ключевыми регуляторами пролиферации клеток и клеточной идентичности у многоклеточных эукариот. Кроме того, эти группы генов участвуют в нескольких сигнальных каскадах, которые реагируют на митогены и морфогены; регулируют идентичность и пролиферацию стволовых клеток, яровизацию у растений, гомеотические трансформации и трансдетерминацию, коммитирование линий в ходе дифференцировки В- и Т-клеток и многие другие аспекты развития Metazoa (главы 11 и 12). Теперь мы обратимся вкратце к тому, что известно о том, как семейства PcG и trxG превращают связанные с развитием сигналы в «эпигенетическую память» через посредство структуры хроматина.

Группы белков PcG и trxG функционируют по большей части антагонистически: семейство белков PcG устанавливает «молчащее» состояние хроматина, а семейство белков обычно способствует генной активности. Молекулярная идентификация гена Рс, о котором известно, что он стабилизирует паттерны репрессии генов на протяжении нескольких клеточных генераций, обеспечила первые данные о молекулярном механизме клеточной или эпигенетической памяти Равным образом РС явился примером белка, содержащего хромодомен с высокой степенью сходства с хромодоменом ассоциированного с гетерохроматином белка НР1 (Раго and Hogness, 1991). Как упоминалось выше, хорошо доказано, что хромодомены являются специфическими модулями, связывающимися с метиллизином гистона (изображено на рис. 3.10). У Drosophila идентифицированы 20 генов PcG и, по меньшей мере, 15 разных генов trxG. Функциональные анализы показали, что эти группы генов составляют спектр разных белков, но, тем не менее, они высококонсервативны у эукариот. Гены PcG кодируют продукты, в число которых входят белки, связывающиеся с ДНК (например, YY1), энзимы, модифицирующие гистоны (например. EZH2), и другие репрессивные ассоциированные с хроматином факторы, которые содержат хромодомен, обладающий сродством к H3K27me3 (например, РС). Гены группы trxG кодируют транскрипционные факторы (например, GAGA, или Zeste), энзимы АТФ-зависимого ремоделинга хроматина (например, Brahma) и HKMTs, такие как Ash 1 и Trx (или его гомологи у млекопитающих, MLL, Setl и семейство MLL). В большинстве случаев семейства белков PcG и trxG функционируют как компоненты разнообразных комплексов, устанавливая стабильные хроматиновые структуры, которые облегчают экспрессию или сайленсинг генов, регулируемых в развитии (главы 11 и 12).

Несмотря на успехи последнего времени механизм, посредством которого комплексы, содержащие PcG или trxG, «нацеливаются» на регулируемые в развитии районы хроматина, еще не вполне выяснен У Drosophila наследуемая репрессия гена требует рекрутирования белковых комплексов PcG к элементам ДНК, называемым «элементы ответа polycomb» (PREs, polycomb response elements). Эквивалентные последовательности у млекопитающих установить не удалось. Неясно, каким образом белковые комплексы PcG вызывают протяженный сайленсинг зависимым от PRE образом, потому что PREs обычно локализованы на расстоянии килобаз от сайта старта транскрипции генов-мишеней. Можно постулировать, что отталкивание или, наоборот, рекрутирование комплексов PcG могут дискриминироваться изменениями в транскрипционной активности или различиями в продуктивном versus непродуктивном процессинге иРНК (Pirrotta, 1998; Dellino et al., 2004; Schmitt et al., 2005). В современных моделях поддерживается представление о связывании PcG через взаимодействие с белками, связывающимися с ДНК, и сродство хромодомена в белке PcG к модифицированным гистонам (H3K27me3) (Cao et al., 2002). Однако комплексы PcG могут также ассоциироваться in vitro с нуклеосомами, лишенными гистоновых хвостов (Francis et al., 2004) и, более того, элементы PRE имеют сниженную плотность нуклеосом (Schwartz et al., 2005). Наиболее логичное объяснение некоторых из этих не согласующихся друг с другом наблюдений заключается в том, что обычно связывание PcG in vivo первоначально нуждается во взаимодействии с факторами, связанными с ДНК, которое затем стабилизируется ассоциацией — с нуклеосомами и модифицированными H3K27me3 в прилегающем участке хроматина. Очевидно, необходимы дальнейшие исследования для того, чтобы связать существующие данные о том, как комплексы PcG «нацеливаются» на участки хроматина, и о том, каким образом они опосредуют репрессию. Вполне вероятно, что Это зависит от организма, поскольку имеет место большая гетерогенность комплексов PcG (глава 11).

Белки группы Trithorax поддерживают обычно активное состояние генной экспрессии в генах-мишенях и преодолевают сайленсинг, опосредованный PcG (или предотвращают его). Этот переход еще менее понятен, но последние данные позволяют предполагать, что некий, базирующийся на РНК, механизм мог бы служить триггером для рекрутирования Ashl к промоторам-мишеням (Sanchez-Eisner et al., 2006). Полагают, что в результате может происходить ряд временных и стабильных изменений в структуре хроматина, которые могут облегчаться межгенной транскрипцией, способной устанавливать открытый хроматиновый домен и опосредовать активное замещение гистонов В число документированных изменений хроматина входят вставка «активных» метальных меток по лизинам гистонов с помощью таких trxG HKMTs, как Trx и Ashl, и считывание этих меток (например, распознавание H3К4те с помощью WDR5; Wysocka et al., 2005). Требуется также действие зависимых от АТФ факторов ремоделинга хроматина, таких как Brahma, хотя еще предстоит определить, каким именно образом взаимосвязаны эти механизмы (детали см. в главе 12).