Значение для Развития

Epigenetics in Development J.C.Kiefer Dev. Dyn. V.236, P.1144-1156, 2007
Всё больше доказательств, что развитие находится под эпигенетическим контролем. Эпигенетика это исследование наследуемых изменений в функции генов, которые возникают независимо от альтераций первичных последовательностей ДНК. Наиболее изученными эпигенетическими модификациями являются метилирование ДНК и изменения структуры хроматина с помощью гистоновых модификаций и замен гистонов. Новым явилось то, что дальнодействующие хромосомные взаимодействия также могут модифицировать генную экспрессию. Эпигенетические модификации являются ключевыми регуляторами важных онтогенетических событий, включая инактивацию Х хромосомы, геномный импринтинг, формирование паттерна Нох генов и нейрональное развитие.	EPIGENETIC MODIFICATIONS DNA Methylation Метилирование ДНК является ковалентной модификацией, которая запускает наследуемое молчание генов (Levenson, Sweatt, 2005). DNA methyltransferases (Dnmts) катализируют реакцию путем переноса метильной группы на 5 позицию цитозина в CpG динуклеотидах. Это запускает молчание одним из двух способов. Во-первых, метилирование может непосредственно вмешиваться в связывание транскрипционного фактора с сайтом распознавания на ДНК. Во-вторых, methyl-CpG binding domain proteins (MBPs) могут усиливать молчание путем рекрутирования комплексов корепрессоров, которые укрывают histone deacetylase (HDACs) или histone methyltransferases (HMTs). MBT-ассоциированные HMTs образуют позитивную петлю обратной связи между метилированием ДНК и др. эпигенетической меткой молчания, метилированным лизином 9 на гистоне 3 (Н3К9; Fujita et al., 2005; Fuks et al., 2003). Histone Methylation Нуклеосомы состоят из 146 п.н. ДНК, обернутой вокруг октамера из гистонов Н2А, Н2В, Н3 и Н4, это основные структурные единицы хроматина (Margueron et al., 2005). Гистоны имеют центральный глобулярный домен и относительно неструктуированные N- и С-терминальные хвосты. N-терминальный хвост является преимущественно предметом пост-трансляционных модификаций, таких как ацетилирование, фосфорилирование, убиквитилирование и метилирование, которые могут вызывать выраженные изменения в локальной структуре хроматина. Гипотеза гистонового кода утверждает, что специфические комбинации гистоновых модификаций формируют язык, который специфицирует структурное состояние хроматина (Strahl, Allis, 2000). Эффекторные белки считывают и переносят кодовые инструкции, чтобы специфицировать образование гетерохроматина, ДНК, которая плотно упакована с нуклеосомами, или более рыхло упакованного эухроматина. По сравнению с эухроматином гетерохроматиновая ДНК в основном недоступна транскрипционным факторам и ремодельерам хроматина, что делает её относительно инертной транскрипционно. Три гистоновые метки кодируют эпигенетические процессы. Н3К9 и Н3К27 метилирование являются метками молчащего или репрессированного хроматина (Cheung, Lau, 2005). Heterochromatin protein 1 (HP1) соединяется с метилированным Н3К9 посредством своего хромодомена и индуцирует локальную конденсацию хроматина. Хромодоменовый белок Polycomb (PC) связывает метилированный Н3К27 и индуцирует молчание способом, который пока непонятен. Промоторы и транскрибируемые регионы многих активных генов декорированы метилированным Н3К4, модификацией, распознаваемой двумя факторами, ассоциированными с транскрипционно активными генами. CHD1 и BPTF, субъединицы мультипротеиновго комплекса NURF, оба ремоделируют нуклеосомы АТФ зависимым способом (Sims, Reinberg, 2006). По сравнению с др. гистоновыми пост-трансляционными модификациями, метилирование лизина является долговременным признаком (Margueron et al., 2005). Термодинамически оно очень стабильно, сохраняется в ходе митозов и обнаруживается в регионах хроматина, которые молчат длительное время, таком как перицентрический хроматин (диметилиованный Н3К9, H3K9me2). Только недавно установили, что метилирование гистонов может быть каталитически ревертировано с помощью гистоновых деметилаз (Shi et al., 2004; Cloos et al., 2006). Деметилазы, по-видимому, находятся под надежным контролем, т.к. продолжающееся метилирование гистонов является характерным признаком наследуемой транскрипционной клеточной памяти. Необходимо отметить, что специфические гистоновые модификации не всегда предсказуемы в отношении генной активности. В эмбриональных стволовых (ES) клетках клон-специфичные гены, которые или репрессированы или транскрибируются на низком уровне, являются "бивалентами", несущими метки активного (H3K4me, H3K9ac) и репрессивного (H3K27me3) хроматина (Azuara et al., 2006; Bernstein et al., 2006). Эти наблюдения привели к гипотезе, что двойное маркирование способно онтогенетические гены удерживать репрессированными в ES, готовыми для быстрой активации. Возможно, что ремодельеры хромат ина и др. гистоновые модификации являются дополнительным источником эпигенетических изменений. Напр., histone deacetylase (HDAC) является компонентом группы polycomb и REST/NRSF корепрессорного комплекса, оба являются эпигенетическими модификаторами. Относительное состояние ацетилирования гистона затрагивает фактор рекрутирования и/или структурных изменений в хроматине. ATPase Brahma-related gene 1 (Brg1), член эпигенетических активаторов группы trithorax, также является компонентом SWI/SNF нуклеосомы ремоделирующего комплекса и регулирует нейрогенез, миогенез и лево-правостороннюю асимметрию (Seo et al., 2005; Ohkawa et al., 2006; Takeuchi et al., 2007). SWI/SNF заставляет нуклеосомы скользить вдоль ДНК, или экспозируя или закрывая доступ регуляторным элементам, которые влияют на транскрипционный статус соседних генов. Является ли это эпигенетическим механизмом? В настоящее время модификации с помощью HDACs и ремоделирования нуклеосом рассматриваются динамическими, тогда как метилирование гистонов является надежным и настоящим длительно действующим эпигенетическим механизмом. Histone Variants Хроматиновые белки являются динамичными, и гистоны могут обмениваться на варианты внутри своего собственного класса (Cheung, Lau, 2005). Структурные различия между вариантами влияют на общую структуру нуклеосом, меняя доступность ДНК для транскрипционных факторов и ремодельеров хроматина. Н2А имеет самое большое количество идентифицированных вариантов и из-за его стратегической позиции в нуклеосоме варианты Н2А гистона особенно уместны для драматического изменения гистонов и ДНК контактов. Два варианта macroH2A и H2A-Barr body-deficient (H2A-Bbd) участвуют в инактивации Х хромосомы. macroH2A способствует молчанию генов путем предупреждения ремоделирования с помощью SWI/SNF комплекса, путем инициации транскрипции р300-зависимой полимеразы II и р300-зависимого ацетилирования гистонов (Angelov et al., 2003; Doyen et al., 2006a). H2A-Bbd ассоциирован с активным хроматином. Две структуры его центрального глобулярного домена позволяют обернуться только 130 п.н. ДНК вокруг нуклеосомы, создавая более расслабленную, доступную структуру хроматина (Вщнут уе al., 2006b). H2A.Z ассоциирует с как с активным, так и неактивным хроматином (Cheung, Lau, 2005). Неясно, как гистоновые варианты попадают на специфические регионы хромосом. Long-Distance Chromosomal Interactions Др. эпигенетический механизм обнаружен недавно: альтерации в активности генов индуцируются за счет прямых взаимодействий между хромосомными областями, которые расположены на значительных расстояниях одна от др. Дальнодействующие хромосомные взаимодействия могут обеспечивать активацию или репрессию генов (Grimaud et al., 2006; Lomvardas et al., 2006) и внутри- и межхромосомные ассоциации. В 2002 две первые работы описали внутрихромосоные взаимодействия в эндогенном β-globin локусе между locus control region (ДСК) и активным β-глобиновым геном, расположенным на расстоянии в 50 т.п.н. Затем было установлено, что в Т клетках LCR для цитокинов Il4, Il5 и IL13 расположен в тесной близи к каждому из их промоторов, соединяя мостиком в 120 т.п.н. в целом (Spilianakis, Flavell, 2004). Взаимодействия могут облегчать коммуникации между регуляторными элементами, влияя на транскрипционное состояние ассоциированных генов. В дальнейшем появились работы, документирующие ядерную колокализацию доменов двух разных хромосом (Spilianakis et al., 2005; Bacher et al., 2006; Grimaud et al., 2006; Lomvards et al., 2006; Xu et al., 2006). В naive T-helper клетках существует межхромосомная ассоциация между цитокиновым LCR, упомянутым выше, и interferon-γ, детерминантом T_H1 клеточной судьбы. После дифференцировки взаимодействие теряется, указывая тем самым. что оно координирует экспрессию активных генов (Spilianakis et al., 2005). Взаимодействия между Х хромосомами, polycomb responsive elements (PREs) и энхансером и промоторами обонятельных рецепторов также наблюдаются. Открытие межхромосомных взаимодействий подчеркивает возможную роль ядерной архитектуры для эпигенетичекой регуляции. Регуляторные хромосомные домены могут быть секвестрированы в субкомпартменте ядра, который действует как центр координации или молчания или активации генов (O'Brien et al., 2003). Важные выводы могут быть получены из дальнодействующих хромосомных ассоциаций, которые были открыты несмотря на лишь горстку примеров. Т.к. внутри и межхромосомные ассоциации происходят в разных типах генов и в разных типах клеток, то феномен скорее всего глобальный. Более того, все описанные взаимодействия являются специфичными для типа клеток и среди взаимодействий, которые временные, время колокализации хромосомных доменов, заканчивается с изменением клеточной дифференцировки. Следовательно, эти дальнодйствующие хромосомные взаимодействия являются онтогенетическими регуляторами. DEVELOPMENTAL GENE REGULATION X-chromosome Inactivation Самки млекопитающих имеют две Х хромосомы, тогда как самцы одну (XY), что ставит проблему по выравниванию доз Х-сцепленных генов между двумя полами. Субклассы млекопитающих eutherians, marsupials и monotremes и др. виды. такие как C.elegans и Drosophila? каждый имеет разный способ для решения этой проблемы (Lucchesi et al., 2005). Представленное здесь eutherian решение, в основном было изучено на мышах, которые используют эпигенетические механизмы инактивации одной из Х хромосом в клетках самок (Heard, 2005; Thorvaldsen et al., 2006). У преимплантационных эмбрионов мыши все клетки первоначально подвергаются импринтированной инактивации отцовской Х хромосомы (Хр). На ст. позднего бластоциста клетки внутренней клеточной массы реактивируют Хр, тогда как внеэмбриональные клетки (трофоэктодерма, примитивная энтодерма) сохраняют инактивацию Хр. Затем эпибласт, или будущий эмбрион, инициирует случайную инактивацию Х (Allegrucci et al., 2005). Механизмы импринтированной инактивации Хр и случайной инактивации Х в основном сходны. Перед случайной инактивацией Х происходят временные межхромосомные взаимодействия между локусами X inactivation center (Xic) на Х хромосомах (Heard, 2005; Xu et al., 2006). Это событие может способствовать общению между двумя Xics, каким-то образом обеспечивая их критические функции счета количества Х хромосом на клетку и предопределяя какая из Х хромосом д. быть инактивирована в клетках самок. Будущая инактивированная Х хромосома (Xi) характеризуется накоплением некодирующей РНК Xist. Внутри Xic имеются три гена, кодирующих ncRNAs, которые перекрестно регулируют один другого: Xist, Tsix и Xite. Xist необходима для инициации инактивации одной из х хромосом, Tsix является антисмысловой по отношению к Xist и призывает Xist к молчанию, а Xite позитивно регулирует Tsix транскрипцию. Вследствие спаривания Xic, Xi подавляет транскрипцию Tsix, тогда как Xist активируется. На активной Х хромосоме (Ха), Tsix репрессирует Xist, но вопреки логике не делает этого путем дестабилизации Xist РНК (Sado et al.,2005; Sun et al., 2006). Скорее Tsix индуцирует H3K4me2 метку эухроматина, которая каким-то образом приводит к репрессии Xist. Точный способ, с помощью которого это происходит, дискуссионен (Navarro et al., 2006; Sun et al., 2006). Отсутствуют взаимодействия между Tsix и Xist во время импринтиованной инактивации Х, т.к. они импринтируются матерински и отцовски (Xi), соотв. Как при случайной, так и при импринтированной Х инактивации транскрипты Xist накапливаются на Xi, "покрывая" её и могут действовать как каркас для рекрутирования энзимов, модифицирующих гистоны молчания. Многие эпигенетические механизмы способствуют гетерохроматизации Xi. Во-первых, Xi декорируется с помощью меток метилирования гистонов, характерных для молчащего хроматина. Polycomb group (PcG) HMT, EZH2, ассоциируют с Xi и обеспечивают её меткой молчания H3K27me3 (Plath et al., 2003). Xi приобретает также репрессивную метку H3K9me2, а активационная метка H3K4me2 оказывается представленной недостаточно (Valley et al., 2006). Во-вторых, состав гистонов на Xi меняется по сравнению с Ха и аутосомами. Xi оказывается сравнительно обедненной активирующими H2A-Bbd, H2A.Z и большая пропорция Н2А замещается репрессивным вариантом гистоном macroH2A (Chadwick, Willard, 2001, 2003). В-третьих, Xi в эмбриональных клетках посыпана гиперметилированными CpG островками (Kratzer et al., 1983). Слой поверх слоя инактивации может гарантировать репрессию Xi, которая д. быть чрезвычайно стабильной, чтобы оставаться неактивной в течение жизни животного. Genomic Imprinting Импринтинг это процесс, с помощью которого эпигенетические метки обеспечивают моноаллельную экспрессию с одного из родительских аллелей. Имеется около сотни импринтированных генов, многие из которых регулируют рост плаценты и плода. Исследования различных импринтированных локусов показали, что существует изменчивость между молекулярными процессами, которые регулируют импринтинг. Тем не менее, имеются параллели между эпигенетикой геномного импринтинга и инактивацией Х хромосом (Reik, Lewis, 2005). Подобно инактивации Х молчание импринтированных генов может регулироваться ncRNAs. Идентификация импринтированных генов показала, что 30% кодируют нкРНК, указывая тем самым, что могут широко использоваться для импринтинга. Импринтируемые гены обычно появляются в кластерах из 3-11 генов. Две нкРНК, которые заставляют молчать их соотв. imprint control region (ICRs), это Air в Igf2r кластере и Kcnq1ot1 в Kcnq1 кластере (Delaval, Feil, 2004). Гены в кластерах Igf2r и Kcnq1 экспрессируются на материнской хромосоме и кодируют регулятор роста плода и кардиальный калиевый канал, соотв. На материнской хромосоме метилирование ДНК предупреждает транскрипцию Air и Kcnq1ot1, позволяя кластерам импринтируемых генов экспрессироваться (Stoger et al., 1993; Engemann et al., 2000). На отцовской хромосоме, все три кодирующих гена в кластере Igf2r, Igf2r, slx22a2 и slc22a3 замалчиваются с помощью Air, хотя считается, что она является лишь антисмысловой к Igf2r (Sleutels et al., 2002). Как Air заставляет молчать кластер Igf2r ещё предстоит определить, но регуляторный механизм, лежащий в основе молчания Kcnq1 дает некоторые разъяснения. Отцовская Kcnq1ot1 индуцирует молчание путем наведения PcG-обусловленного метилирования Н3К27 и Н3К9 на кластер (Umlauf et al., 2004). Эта находка подтверждает, что нкРНК регулируют геномный импринтинг путем изменения состояния хроматина, подобно нкРНК Tsix и Xist во время инактивации Х. В самом деле, импринтинг и инактивация Х, как полагают, эволюционно связаны (Reik, Lewis, 2005). В противовес Igf2r и Kcnq1 кластерам молчание в кластерах импринтированных генов Igf2 и H19, по-видимому, в основном регулируется с помощью метилирования ДНК. Igf2 и H19 находятся в одном и том же кластере, но экспрессия Igf2 отцовская, а H19 материнская. Их взаимно исключающая экспрессия регулируется с помощью imprint control region (ICR), участка ДНК, который регулирует экспрессию всех генов в импринтированных кластерах (Delaval, Feil, 2004). На материнском аллеле, Igf2/H19 ICR не метилирован. Это позволяет инсулятору, СССТС связывающему фактору (CTCF), соединяться с пограничным элементом внутри ICR. CTCF ингибирует экспрессию Igf2, предупреждая взаимодействия между промотором и энхансером (Hark et al., 2000). В то же самое время отсутствие метилирования ICR является пермиссивным для материнской экспрессии Н19. На отцовском аллеле ICR метилирован, непосредственно предупреждает экспрессию Н19 и делает возможной экспрессию Igf2 путем блокирования связывания CTCF (Engel et al., 2004). Н19 кодирует нкРНК, но в отличие от Air и Kcnq1ot1 она не функционирует в качестве сайленсера. Polycomb Group Regulates Gene Silencing Эпигенетика позитивно или негативно влияет на транскрипцию в течение длительного времени, в то время как развитие является динамическим процессом, зависимым от быстрых и частых изменений в экспрессии генов. Работы с генами PcG впервые показали, что по крайней мере, некоторые аспекты развития находятся под контролем эпигенетических механизмов. PcG поддерживает пространственный паттерн Нох генов, законсервированной группы генов, которая регулирует формирование передне/заднего паттерна. Посредством отложения эпигенетических меток молчания, Н3К27me3 и в меньшей степени H3K9me2, PcG репрессирует Нох гены в регионах, в которых они обычно не экспрессируются. Мухи и мыши, мутантные по генам PcG обнаруживают эктопическую экспрессию Нох, иногда сопровождаемые гомеозисными трансформациями (Jurgens, 1985; Van der Lugt et al., 1994). Мыши, мутантные по PcG гену Bmi1 такж обнаруживают дефекты в самообновлении гематопоэтических и нейральных стволовых клеток и в пролиферации первичных фибробластов (Jacobs et al., 1999; Lessard, Sauvageau, 2003. Molofsky et al., 2003; Park et al., 2003). Как уже упоминалось триметилирование Н23К27 с помощью PcG также способствует молчанию на Xi и импринтированных генов. Эти примеры иллюстрируют, что PcG контролирует многие отличающиеся клеточные процессы. PcG соединяется с PREs в регуляторных регионах генов мишеней. Т.о., только определенные у дрозофилы PREs представляют собой различные комбинации специфических сайтов связывания. PcG мишени включают онтогенетические гены, такие как различные транскрипционные факторы (Fox, Sox, Pax) и сигнальные молекулы (Wnts, Shh, BMPs; Bracken et al., 2006; Negre et al., 2006). Всё это вместе с находками, что профили PcG мишеней отличаются в недифференцированных и дифференцированных клетках, говорит, что PcG может регулировать многие онтогенетические процессы. PcG состоит из двух комплексов, Polycomb repressive complex (PRC) 1 и 2. PRC2 млекопитающих состоит из 4-х стержневых белков, EED, SUZ12, RbAP48 и EZH2, а PRC1 состоит из более, чем 10 субъединиц, включая хромодоменовый белок Polycomb (PC), онкобелок BMI1 и Е-3 убиквитин лигазу RING1A и В (Lund, van Lohuizen, 2004). PcG осуществляет свое репрессирующее действие множественными путями. Каталитически активный компонент PRC2, EZH2, триметилирует Н3К27 и рекрутирует DNMTs на PcG гены мишени (Vire et al., 2006). PC связывает Н3К27me3 и соединяет с ним остальную часть PRC1 комплекса (Min et al., 2003). PRC1 обусловливает также молчание, по крайней мере частично, путем ингибирования ремоделирования хроматина с помощью SWI/SNF (Francis et al., 2001). Др. свойства PRC1 также могут вносить вклад в его его способность репрессировать транскрипцию: PRC1 убиквитилирование Н2А является критическим для Нох молчания с помощью неизвестного механизма (Cao et al., 2005) b? по крайней мере, один PRC1 вариант содержит РВФС1 (Huang, Chang, 2004). PcG, как известно, предупреждает также инициацию транскрипции (Dellino et al., 2004). Множественные эпигенетические механизмы могут сделать репрессию с помощью PcG надежной. Существуют множественные доказательcтва, что репрессия, по крайней мере частично, обеспечивается с помощью PRE-зависимых хромосомных взаимодействий на той же самой хромосоме или на разных хромосомах, которые могут спариваться вместе, в первом случае происходит петлеобразование находящихся между последовательностей (Comet et al., 2006). Эти взаимодействия индуцируют чувствительное к спариванию молчание: PRE пары замалчивают экспрессию генов более эффективно, чем одиночный PRE. Парные PREs и связанные PcG белки агрегируют как плотные фокусы в ядре, формируя т. наз. PcG ядерные тельца (Grimaud et al., 2006). Причиной таких ядерных телец может быть секвестрирование PRE-содержащих генов в ядерный субкомпартмент, где молчание размножается и/или поддерживается. PcG ядерные тельца колокализуются с или расположены е тесной близи к RNAi ядерным тельцам, несущих компоненты аппарата RNAi, включая Dicer-2, ARGONAUT1 и PIWI. Генетические данные показывают, что RNAi аппарат расположен иерархически выше дальнодействующей PRE ассоциации. Мутанты по одиночным RNAi белкам переживают распад PRE ассоциаций со временем. PcG-зависимая ко-супрессия, феномен, с помощью которого вносятся множественные копии трансгена, приводящая к их молчанию, также нуждается в RNAi аппарате, но, по-видимому, управляется с помощью независимого механизма. Т.к. ко-супрессия является несовершенной у мутантов по гену homeless из аппарата RNAi, а PRE ассоциация нет (Pal-Bhadra et al., 2004). Ко-супрессия обеспечивает гетерохроматизацию повторяющихся последовательностей, но как аппарат RNAi поддерживает дальнодействующие ассоциации PREs, неясно. Ответ возможно может быть связан с наблюдением, что siRNAs генерируются с PRE-содержащих трансгенов. Авт. предполагают, что siRNAs с PRE локусов действуют как "молекулярный клей", который удерживает PcG комплексы на разных PREs вместе. Но siRNAs с эндогенных PREs ещё не обнаружены. Trithorax Group Promotes Active Chromatin В качестве механистического противовеса PcG, trithorax group (екчП) поддерживает экспрессию генов, включая Нох гены, путем способствования формированию эухроматина (Beisel et al., 2002). trxG млекопитающих состоит из множественных белков и содержит на вооружении гомологи Drosophila H3K4 HMT trithorax, а именно, Set1a, Set1b, Mll1, Mll2, Mll3 и Mll4 и SWI/SNF ATPase Brg1, trxG соединяется с тем же самым элементом, что и PcG. В молчащем состоянии элемент рекрутирует PcG (PRE), а в своём активном состоянии рекрутирует trxG (TRE). Активация PRE/TRE нуждается в транскрипции TRE. Некодирующие TRE транскрипты соединяются и рекрутируют Drosophila trxG HMT Ash1, который откладывает метки для эухроматина, H3K4me3 (Sanchez-Удытук уе al., 2006). Недавние исследования показали, что BPTF специфически соединяется с H3K4me3, а потеря BPTF у Xenopus вызывает аберрантную экспрессию Нох. BPTF является субъединицей NURF и может направлять хроматин ремоделирующий комплекс на гистоны, метилированные с помощью trxG. NURF способствует формированию активного хроматина путем перемещения нуклеосом вдоль ДНК (Sims, Reinberg, 2006). TrxG способствует также экспрессии Нох гена Ubx путем облегчения транскрипционной элонгации (Petruk et al., 2006). Эти находки могут объяснить, как trxG регулирует активацию генов. LINEAGE RESTRICTION REST/NRSF Activities Govern Neuronal Fate Decisions По мере развития эмбрионов мультипотентные клетки активируют программы специфических генов, которые запускают дифференцировку в специализированные типы клеток. Столь же важно, что клетки д. замалчивать экспрессию генов, специфичных для др. типов клеток, чтобы обезопасить их судьбу. Т.к. репрессия д. поддерживаться в течение всей жизни животных, то эпигенетические механизмы являются идеальными для обеспечения таких событий. Как клетки удерживаются от экспрессии несоответствующих генных программ, было показано для нейронов. Repressor element 1 (RE-1) silencing transcription factor/neuron restrictive silencing factor (REST/NRSF) являетя белком с цинковыми пальчиками, который запускает эпигенетическое молчание нейрональных генов (Ballas, Mandel, 2005). У мышей, лишенных REST/NRSF, специфический для нервов ген βIII-tubulin экспрессируется в некоторых не-нейрональных тканях, но большинство типов клеток не затрагивается (Chen et al., 1998). Однако, мыши погибают на Е11.5, указывая на роль REST в развитии нервной системы. Эти данные иллюстрируют, что REST/NRSF не является мастером регулятором молчания нейрональных генов, а скорее поддерживает репрессию. В не-нейрональных клетках REST/NRSF связывается с RE-1 элементами в регуляторных областях генов мишеней и блокирует их транскрипцию. Элементы располагаются в генах, центральных относительно нейрогенеза, включая ионные каналы, рецепторы нейротрансмиттеров, молекулы ведения аксонов и нейрогенный ген NeuroD (Bruce et al.,2004). REST/NRSF оказывает динамическую непостоянную репрессию посредством своей ассоциации с корепрессорами CTD фосфатазы, которые ингибируют РНК полимеразу II и HDACs, которые ограничивают доступность хроматина (Battaglioli et al., 2002; Yeo et al., 2005). Корепрессор Co-REST координирует стабильную эпигенетическую репрессию путем непосредственного связывания Н3К9 НМТ G9a и Н3К4 деметилазы LSD1 (Roopra et al., 2004; Shi et al., 2004). Co-REST также рекрутирует дополнительные эпигенетические факторы молчания, метил ДНК связывающий белок MeCP2 и Н3К9 НМТ SUV39H1(Lunyak et al., 2002). Наконец, гетерохроматиновый белок НР1 соединяется и конденсирует нейрональные гены, маркированные метилированным Н3К9 (Lunyak et al., 2002). REST/NRSF экспрессируется также в клетках, которые обладают потенциалом, чтобы стать нейронами, эмбриональными стволовыми клетками и предшественниками нейронов. В мультипотентных клетках нейрональные гены д. быть дозволяющими активацию. Следовательно, REST/NRSF д. не просто "отключать" переключение на нейрональные гены. Скорее степень репрессии, обеспечиваемая REST/NRSF, выполняется на заказ под онтогенетическую стадию клетки (Ballas et al., 2005). В плюрипотентных эмбриональных стволовых клетках REST/NRSF связывает RE1 сайты, но Н3К9 остается неметилированным, указывая тем самым, что нейрональные гены готовы к активации. В нейрональных предшественниках пост-трансляционные модификации ведут к подавлению REST/NRSF. Клетки с низкими уровнями REST/NRSF являются готовыми для транскрипции некоторых нейрональных генов. В дифференцированных нейронах транскрипционная репрессия REST/NRSF приводит к дерепрессии большинства содержащих RE1 генов. Интересно, что в зрелых нейронах класс стимулами индуцированных генов сохраняет метилирование на ДНК и продолжает связывать с помощью REST корепрессоры MeCP2 и Co-REST. После деполяризации мембран экспрессия одного из таких генов, brain-derived neurotropic factor (BDNF), регулируется позитивно, а MeCP2 высвобождается, тогда как Co-REST остается неизменным. Авт. полагают, что Co-REST персистирует как платформа для облегчения динамичной генной регуляции в зрелых нейронах. Эта работа показывает, что незначительные манипуляции с REST и его корепрессорами подготавливают клетку к нейрональному потенциалу в следующей фазе развития. TERMINAL DIFFERENTIATION DNA and Histone Methylation are required for Differentiation of Specific Organs Многие гены, которые регулируют эпигенетические механизмы, экспрессируются повсеместно и являются важными для жизни. Эти характеристики делают трудным выявление эпигенетических потребностей для развития и дифференцировки специфических типов клеток. Недавно Rai et al исследовали эту проблему путем редукции, но не устранения экспрессии DMNT1 и HMT Suv39h1 у эмбрионов рыбок данио путем инъекций трансляцию блокирующих антисмысловых morpholino oligos (Rai et al., 2006). Неожиданно фенотипы морфантов по обоим генам в основном фенокопировали один др., а наблюдаемые дефекты варьировали специфически. Терминальная дифференцировка была нарушена в кишечнике, экзокринной части панкреас и сетчатке, тогда как др. органы оказались не затронутыми. Объяснение наблюдаемым идентичным фенотипам дают генетические и биохимические данные, которые показывают, что DMNT1 и Suv29h1 функционируют на одном и том же пути. И метилирование цитозина ДНК и метилирование Н3К9 редуцированы у DMNT1 морфантов, а избыточная экспрессия suv391 восстанавливает DMNT1 морфантов . Остается определить, какие гены затрагиваются этими двумя регуляторами и какие молекулярные сигналы запускают их молчание. Ответы на эти вопросы помогут определить, регулируют ли эти эпигенетические модификации дифференцировку др. типов клеток. Long-Distance Chromosomal Interactions Mediate Olfactory Receptor Choice У мышей обонятельный сенсорный нейрон экспрессирует только 1 из 1300 обонятельных рецепторных (OR) генов. Как один ген экспрессируется исключая все остальные. Недавно было установлено, что выбор OR обеспечивается за счет межхромосомных взаимодействий (Lomvardas et al., 2006). H ДНК последовательность, как ранее было обнаружено, действует как энхансерный элемент в цис-положении для кластера OR генов. В данном исследовании флюоресцентная in situ гибридизация (FISH) визуалировала ассоциацию Н с OR генами в транс-положении. Эти авт. обнаружили также, что один аллель Н делается молчащим с помощью метилирования ДНК, находка, которая подсказала идею, что Н может активировать только один ген в даный момент. В подтверждением этого служат обонятельные нейроны у трансгенных мышей, несущих более одного активного Н элемента, и OR псевдогены, экспрессирующие два OR рецептора, один эндогенный и один псевдоген, у менее чем 1% клеток. OR псевдоген был использован для обмана негативной петли обратной связи, причем выбор OR гена предупреждал экспрессию др. OR гена. Авт. полагают, что выбор OR контролируется случайной, дальнодействующей хромосомной ассоциацией одиночного Н энхансерного элемента с одиночным OR геном. Сайт создан в системе uCoz

EPIGENETIC MODIFICATIONS

DNA Methylation

Метилирование ДНК является ковалентной модификацией, которая запускает наследуемое молчание генов (Levenson, Sweatt, 2005). DNA methyltransferases (Dnmts) катализируют реакцию путем переноса метильной группы на 5 позицию цитозина в CpG динуклеотидах. Это запускает молчание одним из двух способов. Во-первых, метилирование может непосредственно вмешиваться в связывание транскрипционного фактора с сайтом распознавания на ДНК. Во-вторых, methyl-CpG binding domain proteins (MBPs) могут усиливать молчание путем рекрутирования комплексов корепрессоров, которые укрывают histone deacetylase (HDACs) или histone methyltransferases (HMTs). MBT-ассоциированные HMTs образуют позитивную петлю обратной связи между метилированием ДНК и др. эпигенетической меткой молчания, метилированным лизином 9 на гистоне 3 (Н3К9; Fujita et al., 2005; Fuks et al., 2003).

Histone Methylation

Нуклеосомы состоят из 146 п.н. ДНК, обернутой вокруг октамера из гистонов Н2А, Н2В, Н3 и Н4, это основные структурные единицы хроматина (Margueron et al., 2005). Гистоны имеют центральный глобулярный домен и относительно неструктуированные N- и С-терминальные хвосты. N-терминальный хвост является преимущественно предметом пост-трансляционных модификаций, таких как ацетилирование, фосфорилирование, убиквитилирование и метилирование, которые могут вызывать выраженные изменения в локальной структуре хроматина.

Гипотеза гистонового кода утверждает, что специфические комбинации гистоновых модификаций формируют язык, который специфицирует структурное состояние хроматина (Strahl, Allis, 2000). Эффекторные белки считывают и переносят кодовые инструкции, чтобы специфицировать образование гетерохроматина, ДНК, которая плотно упакована с нуклеосомами, или более рыхло упакованного эухроматина. По сравнению с эухроматином гетерохроматиновая ДНК в основном недоступна транскрипционным факторам и ремодельерам хроматина, что делает её относительно инертной транскрипционно.

Три гистоновые метки кодируют эпигенетические процессы. Н3К9 и Н3К27 метилирование являются метками молчащего или репрессированного хроматина (Cheung, Lau, 2005). Heterochromatin protein 1 (HP1) соединяется с метилированным Н3К9 посредством своего хромодомена и индуцирует локальную конденсацию хроматина. Хромодоменовый белок Polycomb (PC) связывает метилированный Н3К27 и индуцирует молчание способом, который пока непонятен. Промоторы и транскрибируемые регионы многих активных генов декорированы метилированным Н3К4, модификацией, распознаваемой двумя факторами, ассоциированными с транскрипционно активными генами. CHD1 и BPTF, субъединицы мультипротеиновго комплекса NURF, оба ремоделируют нуклеосомы АТФ зависимым способом (Sims, Reinberg, 2006).

По сравнению с др. гистоновыми пост-трансляционными модификациями, метилирование лизина является долговременным признаком (Margueron et al., 2005). Термодинамически оно очень стабильно, сохраняется в ходе митозов и обнаруживается в регионах хроматина, которые молчат длительное время, таком как перицентрический хроматин (диметилиованный Н3К9, H3K9me2). Только недавно установили, что метилирование гистонов может быть каталитически ревертировано с помощью гистоновых деметилаз (Shi et al., 2004; Cloos et al., 2006). Деметилазы, по-видимому, находятся под надежным контролем, т.к. продолжающееся метилирование гистонов является характерным признаком наследуемой транскрипционной клеточной памяти.

Необходимо отметить, что специфические гистоновые модификации не всегда предсказуемы в отношении генной активности. В эмбриональных стволовых (ES) клетках клон-специфичные гены, которые или репрессированы или транскрибируются на низком уровне, являются "бивалентами", несущими метки активного (H3K4me, H3K9ac) и репрессивного (H3K27me3) хроматина (Azuara et al., 2006; Bernstein et al., 2006). Эти наблюдения привели к гипотезе, что двойное маркирование способно онтогенетические гены удерживать репрессированными в ES, готовыми для быстрой активации.

Возможно, что ремодельеры хромат ина и др. гистоновые модификации являются дополнительным источником эпигенетических изменений. Напр., histone deacetylase (HDAC) является компонентом группы polycomb и REST/NRSF корепрессорного комплекса, оба являются эпигенетическими модификаторами. Относительное состояние ацетилирования гистона затрагивает фактор рекрутирования и/или структурных изменений в хроматине. ATPase Brahma-related gene 1 (Brg1), член эпигенетических активаторов группы trithorax, также является компонентом SWI/SNF нуклеосомы ремоделирующего комплекса и регулирует нейрогенез, миогенез и лево-правостороннюю асимметрию (Seo et al., 2005; Ohkawa et al., 2006; Takeuchi et al., 2007). SWI/SNF заставляет нуклеосомы скользить вдоль ДНК, или экспозируя или закрывая доступ регуляторным элементам, которые влияют на транскрипционный статус соседних генов. Является ли это эпигенетическим механизмом? В настоящее время модификации с помощью HDACs и ремоделирования нуклеосом рассматриваются динамическими, тогда как метилирование гистонов является надежным и настоящим длительно действующим эпигенетическим механизмом.

Histone Variants

Хроматиновые белки являются динамичными, и гистоны могут обмениваться на варианты внутри своего собственного класса (Cheung, Lau, 2005). Структурные различия между вариантами влияют на общую структуру нуклеосом, меняя доступность ДНК для транскрипционных факторов и ремодельеров хроматина.

Н2А имеет самое большое количество идентифицированных вариантов и из-за его стратегической позиции в нуклеосоме варианты Н2А гистона особенно уместны для драматического изменения гистонов и ДНК контактов. Два варианта macroH2A и H2A-Barr body-deficient (H2A-Bbd) участвуют в инактивации Х хромосомы. macroH2A способствует молчанию генов путем предупреждения ремоделирования с помощью SWI/SNF комплекса, путем инициации транскрипции р300-зависимой полимеразы II и р300-зависимого ацетилирования гистонов (Angelov et al., 2003; Doyen et al., 2006a). H2A-Bbd ассоциирован с активным хроматином. Две структуры его центрального глобулярного домена позволяют обернуться только 130 п.н. ДНК вокруг нуклеосомы, создавая более расслабленную, доступную структуру хроматина (Вщнут уе al., 2006b). H2A.Z ассоциирует с как с активным, так и неактивным хроматином (Cheung, Lau, 2005). Неясно, как гистоновые варианты попадают на специфические регионы хромосом.

Long-Distance Chromosomal Interactions

Др. эпигенетический механизм обнаружен недавно: альтерации в активности генов индуцируются за счет прямых взаимодействий между хромосомными областями, которые расположены на значительных расстояниях одна от др. Дальнодействующие хромосомные взаимодействия могут обеспечивать активацию или репрессию генов (Grimaud et al., 2006; Lomvardas et al., 2006) и внутри- и межхромосомные ассоциации. В 2002 две первые работы описали внутрихромосоные взаимодействия в эндогенном β-globin локусе между locus control region (ДСК) и активным β-глобиновым геном, расположенным на расстоянии в 50 т.п.н. Затем было установлено, что в Т клетках LCR для цитокинов Il4, Il5 и IL13 расположен в тесной близи к каждому из их промоторов, соединяя мостиком в 120 т.п.н. в целом (Spilianakis, Flavell, 2004). Взаимодействия могут облегчать коммуникации между регуляторными элементами, влияя на транскрипционное состояние ассоциированных генов.

В дальнейшем появились работы, документирующие ядерную колокализацию доменов двух разных хромосом (Spilianakis et al., 2005; Bacher et al., 2006; Grimaud et al., 2006; Lomvards et al., 2006; Xu et al., 2006). В naive T-helper клетках существует межхромосомная ассоциация между цитокиновым LCR, упомянутым выше, и interferon-γ, детерминантом T_H1 клеточной судьбы. После дифференцировки взаимодействие теряется, указывая тем самым. что оно координирует экспрессию активных генов (Spilianakis et al., 2005). Взаимодействия между Х хромосомами, polycomb responsive elements (PREs) и энхансером и промоторами обонятельных рецепторов также наблюдаются. Открытие межхромосомных взаимодействий подчеркивает возможную роль ядерной архитектуры для эпигенетичекой регуляции. Регуляторные хромосомные домены могут быть секвестрированы в субкомпартменте ядра, который действует как центр координации или молчания или активации генов (O'Brien et al., 2003).

Важные выводы могут быть получены из дальнодействующих хромосомных ассоциаций, которые были открыты несмотря на лишь горстку примеров. Т.к. внутри и межхромосомные ассоциации происходят в разных типах генов и в разных типах клеток, то феномен скорее всего глобальный. Более того, все описанные взаимодействия являются специфичными для типа клеток и среди взаимодействий, которые временные, время колокализации хромосомных доменов, заканчивается с изменением клеточной дифференцировки. Следовательно, эти дальнодйствующие хромосомные взаимодействия являются онтогенетическими регуляторами.

DEVELOPMENTAL GENE REGULATION

X-chromosome Inactivation

Самки млекопитающих имеют две Х хромосомы, тогда как самцы одну (XY), что ставит проблему по выравниванию доз Х-сцепленных генов между двумя полами. Субклассы млекопитающих eutherians, marsupials и monotremes и др. виды. такие как C.elegans и Drosophila? каждый имеет разный способ для решения этой проблемы (Lucchesi et al., 2005). Представленное здесь eutherian решение, в основном было изучено на мышах, которые используют эпигенетические механизмы инактивации одной из Х хромосом в клетках самок (Heard, 2005; Thorvaldsen et al., 2006).

У преимплантационных эмбрионов мыши все клетки первоначально подвергаются импринтированной инактивации отцовской Х хромосомы (Хр). На ст. позднего бластоциста клетки внутренней клеточной массы реактивируют Хр, тогда как внеэмбриональные клетки (трофоэктодерма, примитивная энтодерма) сохраняют инактивацию Хр. Затем эпибласт, или будущий эмбрион, инициирует случайную инактивацию Х (Allegrucci et al., 2005). Механизмы импринтированной инактивации Хр и случайной инактивации Х в основном сходны.

Перед случайной инактивацией Х происходят временные межхромосомные взаимодействия между локусами X inactivation center (Xic) на Х хромосомах (Heard, 2005; Xu et al., 2006). Это событие может способствовать общению между двумя Xics, каким-то образом обеспечивая их критические функции счета количества Х хромосом на клетку и предопределяя какая из Х хромосом д. быть инактивирована в клетках самок.

Будущая инактивированная Х хромосома (Xi) характеризуется накоплением некодирующей РНК Xist. Внутри Xic имеются три гена, кодирующих ncRNAs, которые перекрестно регулируют один другого: Xist, Tsix и Xite. Xist необходима для инициации инактивации одной из х хромосом, Tsix является антисмысловой по отношению к Xist и призывает Xist к молчанию, а Xite позитивно регулирует Tsix транскрипцию. Вследствие спаривания Xic, Xi подавляет транскрипцию Tsix, тогда как Xist активируется. На активной Х хромосоме (Ха), Tsix репрессирует Xist, но вопреки логике не делает этого путем дестабилизации Xist РНК (Sado et al.,2005; Sun et al., 2006). Скорее Tsix индуцирует H3K4me2 метку эухроматина, которая каким-то образом приводит к репрессии Xist. Точный способ, с помощью которого это происходит, дискуссионен (Navarro et al., 2006; Sun et al., 2006). Отсутствуют взаимодействия между Tsix и Xist во время импринтиованной инактивации Х, т.к. они импринтируются матерински и отцовски (Xi), соотв. Как при случайной, так и при импринтированной Х инактивации транскрипты Xist накапливаются на Xi, "покрывая" её и могут действовать как каркас для рекрутирования энзимов, модифицирующих гистоны молчания.

Многие эпигенетические механизмы способствуют гетерохроматизации Xi. Во-первых, Xi декорируется с помощью меток метилирования гистонов, характерных для молчащего хроматина. Polycomb group (PcG) HMT, EZH2, ассоциируют с Xi и обеспечивают её меткой молчания H3K27me3 (Plath et al., 2003). Xi приобретает также репрессивную метку H3K9me2, а активационная метка H3K4me2 оказывается представленной недостаточно (Valley et al., 2006). Во-вторых, состав гистонов на Xi меняется по сравнению с Ха и аутосомами. Xi оказывается сравнительно обедненной активирующими H2A-Bbd, H2A.Z и большая пропорция Н2А замещается репрессивным вариантом гистоном macroH2A (Chadwick, Willard, 2001, 2003). В-третьих, Xi в эмбриональных клетках посыпана гиперметилированными CpG островками (Kratzer et al., 1983). Слой поверх слоя инактивации может гарантировать репрессию Xi, которая д. быть чрезвычайно стабильной, чтобы оставаться неактивной в течение жизни животного.

Genomic Imprinting

Импринтинг это процесс, с помощью которого эпигенетические метки обеспечивают моноаллельную экспрессию с одного из родительских аллелей. Имеется около сотни импринтированных генов, многие из которых регулируют рост плаценты и плода. Исследования различных импринтированных локусов показали, что существует изменчивость между молекулярными процессами, которые регулируют импринтинг. Тем не менее, имеются параллели между эпигенетикой геномного импринтинга и инактивацией Х хромосом (Reik, Lewis, 2005).

Подобно инактивации Х молчание импринтированных генов может регулироваться ncRNAs. Идентификация импринтированных генов показала, что 30% кодируют нкРНК, указывая тем самым, что могут широко использоваться для импринтинга. Импринтируемые гены обычно появляются в кластерах из 3-11 генов. Две нкРНК, которые заставляют молчать их соотв. imprint control region (ICRs), это Air в Igf2r кластере и Kcnq1ot1 в Kcnq1 кластере (Delaval, Feil, 2004). Гены в кластерах Igf2r и Kcnq1 экспрессируются на материнской хромосоме и кодируют регулятор роста плода и кардиальный калиевый канал, соотв. На материнской хромосоме метилирование ДНК предупреждает транскрипцию Air и Kcnq1ot1, позволяя кластерам импринтируемых генов экспрессироваться (Stoger et al., 1993; Engemann et al., 2000). На отцовской хромосоме, все три кодирующих гена в кластере Igf2r, Igf2r, slx22a2 и slc22a3 замалчиваются с помощью Air, хотя считается, что она является лишь антисмысловой к Igf2r (Sleutels et al., 2002). Как Air заставляет молчать кластер Igf2r ещё предстоит определить, но регуляторный механизм, лежащий в основе молчания Kcnq1 дает некоторые разъяснения. Отцовская Kcnq1ot1 индуцирует молчание путем наведения PcG-обусловленного метилирования Н3К27 и Н3К9 на кластер (Umlauf et al., 2004). Эта находка подтверждает, что нкРНК регулируют геномный импринтинг путем изменения состояния хроматина, подобно нкРНК Tsix и Xist во время инактивации Х. В самом деле, импринтинг и инактивация Х, как полагают, эволюционно связаны (Reik, Lewis, 2005).

В противовес Igf2r и Kcnq1 кластерам молчание в кластерах импринтированных генов Igf2 и H19, по-видимому, в основном регулируется с помощью метилирования ДНК. Igf2 и H19 находятся в одном и том же кластере, но экспрессия Igf2 отцовская, а H19 материнская. Их взаимно исключающая экспрессия регулируется с помощью imprint control region (ICR), участка ДНК, который регулирует экспрессию всех генов в импринтированных кластерах (Delaval, Feil, 2004). На материнском аллеле, Igf2/H19 ICR не метилирован. Это позволяет инсулятору, СССТС связывающему фактору (CTCF), соединяться с пограничным элементом внутри ICR. CTCF ингибирует экспрессию Igf2, предупреждая взаимодействия между промотором и энхансером (Hark et al., 2000). В то же самое время отсутствие метилирования ICR является пермиссивным для материнской экспрессии Н19. На отцовском аллеле ICR метилирован, непосредственно предупреждает экспрессию Н19 и делает возможной экспрессию Igf2 путем блокирования связывания CTCF (Engel et al., 2004). Н19 кодирует нкРНК, но в отличие от Air и Kcnq1ot1 она не функционирует в качестве сайленсера.

Polycomb Group Regulates Gene Silencing

Эпигенетика позитивно или негативно влияет на транскрипцию в течение длительного времени, в то время как развитие является динамическим процессом, зависимым от быстрых и частых изменений в экспрессии генов. Работы с генами PcG впервые показали, что по крайней мере, некоторые аспекты развития находятся под контролем эпигенетических механизмов. PcG поддерживает пространственный паттерн Нох генов, законсервированной группы генов, которая регулирует формирование передне/заднего паттерна. Посредством отложения эпигенетических меток молчания, Н3К27me3 и в меньшей степени H3K9me2, PcG репрессирует Нох гены в регионах, в которых они обычно не экспрессируются. Мухи и мыши, мутантные по генам PcG обнаруживают эктопическую экспрессию Нох, иногда сопровождаемые гомеозисными трансформациями (Jurgens, 1985; Van der Lugt et al., 1994). Мыши, мутантные по PcG гену Bmi1 такж обнаруживают дефекты в самообновлении гематопоэтических и нейральных стволовых клеток и в пролиферации первичных фибробластов (Jacobs et al., 1999; Lessard, Sauvageau, 2003. Molofsky et al., 2003; Park et al., 2003). Как уже упоминалось триметилирование Н23К27 с помощью PcG также способствует молчанию на Xi и импринтированных генов. Эти примеры иллюстрируют, что PcG контролирует многие отличающиеся клеточные процессы.

PcG соединяется с PREs в регуляторных регионах генов мишеней. Т.о., только определенные у дрозофилы PREs представляют собой различные комбинации специфических сайтов связывания. PcG мишени включают онтогенетические гены, такие как различные транскрипционные факторы (Fox, Sox, Pax) и сигнальные молекулы (Wnts, Shh, BMPs; Bracken et al., 2006; Negre et al., 2006). Всё это вместе с находками, что профили PcG мишеней отличаются в недифференцированных и дифференцированных клетках, говорит, что PcG может регулировать многие онтогенетические процессы.

PcG состоит из двух комплексов, Polycomb repressive complex (PRC) 1 и 2. PRC2 млекопитающих состоит из 4-х стержневых белков, EED, SUZ12, RbAP48 и EZH2, а PRC1 состоит из более, чем 10 субъединиц, включая хромодоменовый белок Polycomb (PC), онкобелок BMI1 и Е-3 убиквитин лигазу RING1A и В (Lund, van Lohuizen, 2004). PcG осуществляет свое репрессирующее действие множественными путями. Каталитически активный компонент PRC2, EZH2, триметилирует Н3К27 и рекрутирует DNMTs на PcG гены мишени (Vire et al., 2006). PC связывает Н3К27me3 и соединяет с ним остальную часть PRC1 комплекса (Min et al., 2003). PRC1 обусловливает также молчание, по крайней мере частично, путем ингибирования ремоделирования хроматина с помощью SWI/SNF (Francis et al., 2001). Др. свойства PRC1 также могут вносить вклад в его его способность репрессировать транскрипцию: PRC1 убиквитилирование Н2А является критическим для Нох молчания с помощью неизвестного механизма (Cao et al., 2005) b? по крайней мере, один PRC1 вариант содержит РВФС1 (Huang, Chang, 2004). PcG, как известно, предупреждает также инициацию транскрипции (Dellino et al., 2004). Множественные эпигенетические механизмы могут сделать репрессию с помощью PcG надежной.

Существуют множественные доказательcтва, что репрессия, по крайней мере частично, обеспечивается с помощью PRE-зависимых хромосомных взаимодействий на той же самой хромосоме или на разных хромосомах, которые могут спариваться вместе, в первом случае происходит петлеобразование находящихся между последовательностей (Comet et al., 2006). Эти взаимодействия индуцируют чувствительное к спариванию молчание: PRE пары замалчивают экспрессию генов более эффективно, чем одиночный PRE. Парные PREs и связанные PcG белки агрегируют как плотные фокусы в ядре, формируя т. наз. PcG ядерные тельца (Grimaud et al., 2006). Причиной таких ядерных телец может быть секвестрирование PRE-содержащих генов в ядерный субкомпартмент, где молчание размножается и/или поддерживается.

PcG ядерные тельца колокализуются с или расположены е тесной близи к RNAi ядерным тельцам, несущих компоненты аппарата RNAi, включая Dicer-2, ARGONAUT1 и PIWI. Генетические данные показывают, что RNAi аппарат расположен иерархически выше дальнодействующей PRE ассоциации. Мутанты по одиночным RNAi белкам переживают распад PRE ассоциаций со временем. PcG-зависимая ко-супрессия, феномен, с помощью которого вносятся множественные копии трансгена, приводящая к их молчанию, также нуждается в RNAi аппарате, но, по-видимому, управляется с помощью независимого механизма. Т.к. ко-супрессия является несовершенной у мутантов по гену homeless из аппарата RNAi, а PRE ассоциация нет (Pal-Bhadra et al., 2004). Ко-супрессия обеспечивает гетерохроматизацию повторяющихся последовательностей, но как аппарат RNAi поддерживает дальнодействующие ассоциации PREs, неясно. Ответ возможно может быть связан с наблюдением, что siRNAs генерируются с PRE-содержащих трансгенов. Авт. предполагают, что siRNAs с PRE локусов действуют как "молекулярный клей", который удерживает PcG комплексы на разных PREs вместе. Но siRNAs с эндогенных PREs ещё не обнаружены.

Trithorax Group Promotes Active Chromatin

В качестве механистического противовеса PcG, trithorax group (екчП) поддерживает экспрессию генов, включая Нох гены, путем способствования формированию эухроматина (Beisel et al., 2002). trxG млекопитающих состоит из множественных белков и содержит на вооружении гомологи Drosophila H3K4 HMT trithorax, а именно, Set1a, Set1b, Mll1, Mll2, Mll3 и Mll4 и SWI/SNF ATPase Brg1, trxG соединяется с тем же самым элементом, что и PcG. В молчащем состоянии элемент рекрутирует PcG (PRE), а в своём активном состоянии рекрутирует trxG (TRE). Активация PRE/TRE нуждается в транскрипции TRE. Некодирующие TRE транскрипты соединяются и рекрутируют Drosophila trxG HMT Ash1, который откладывает метки для эухроматина, H3K4me3 (Sanchez-Удытук уе al., 2006). Недавние исследования показали, что BPTF специфически соединяется с H3K4me3, а потеря BPTF у Xenopus вызывает аберрантную экспрессию Нох. BPTF является субъединицей NURF и может направлять хроматин ремоделирующий комплекс на гистоны, метилированные с помощью trxG. NURF способствует формированию активного хроматина путем перемещения нуклеосом вдоль ДНК (Sims, Reinberg, 2006). TrxG способствует также экспрессии Нох гена Ubx путем облегчения транскрипционной элонгации (Petruk et al., 2006). Эти находки могут объяснить, как trxG регулирует активацию генов.

LINEAGE RESTRICTION

REST/NRSF Activities Govern Neuronal Fate Decisions

По мере развития эмбрионов мультипотентные клетки активируют программы специфических генов, которые запускают дифференцировку в специализированные типы клеток. Столь же важно, что клетки д. замалчивать экспрессию генов, специфичных для др. типов клеток, чтобы обезопасить их судьбу. Т.к. репрессия д. поддерживаться в течение всей жизни животных, то эпигенетические механизмы являются идеальными для обеспечения таких событий.

Как клетки удерживаются от экспрессии несоответствующих генных программ, было показано для нейронов. Repressor element 1 (RE-1) silencing transcription factor/neuron restrictive silencing factor (REST/NRSF) являетя белком с цинковыми пальчиками, который запускает эпигенетическое молчание нейрональных генов (Ballas, Mandel, 2005). У мышей, лишенных REST/NRSF, специфический для нервов ген βIII-tubulin экспрессируется в некоторых не-нейрональных тканях, но большинство типов клеток не затрагивается (Chen et al., 1998). Однако, мыши погибают на Е11.5, указывая на роль REST в развитии нервной системы. Эти данные иллюстрируют, что REST/NRSF не является мастером регулятором молчания нейрональных генов, а скорее поддерживает репрессию.

В не-нейрональных клетках REST/NRSF связывается с RE-1 элементами в регуляторных областях генов мишеней и блокирует их транскрипцию. Элементы располагаются в генах, центральных относительно нейрогенеза, включая ионные каналы, рецепторы нейротрансмиттеров, молекулы ведения аксонов и нейрогенный ген NeuroD (Bruce et al.,2004). REST/NRSF оказывает динамическую непостоянную репрессию посредством своей ассоциации с корепрессорами CTD фосфатазы, которые ингибируют РНК полимеразу II и HDACs, которые ограничивают доступность хроматина (Battaglioli et al., 2002; Yeo et al., 2005). Корепрессор Co-REST координирует стабильную эпигенетическую репрессию путем непосредственного связывания Н3К9 НМТ G9a и Н3К4 деметилазы LSD1 (Roopra et al., 2004; Shi et al., 2004). Co-REST также рекрутирует дополнительные эпигенетические факторы молчания, метил ДНК связывающий белок MeCP2 и Н3К9 НМТ SUV39H1(Lunyak et al., 2002). Наконец, гетерохроматиновый белок НР1 соединяется и конденсирует нейрональные гены, маркированные метилированным Н3К9 (Lunyak et al., 2002).

REST/NRSF экспрессируется также в клетках, которые обладают потенциалом, чтобы стать нейронами, эмбриональными стволовыми клетками и предшественниками нейронов. В мультипотентных клетках нейрональные гены д. быть дозволяющими активацию. Следовательно, REST/NRSF д. не просто "отключать" переключение на нейрональные гены. Скорее степень репрессии, обеспечиваемая REST/NRSF, выполняется на заказ под онтогенетическую стадию клетки (Ballas et al., 2005). В плюрипотентных эмбриональных стволовых клетках REST/NRSF связывает RE1 сайты, но Н3К9 остается неметилированным, указывая тем самым, что нейрональные гены готовы к активации. В нейрональных предшественниках пост-трансляционные модификации ведут к подавлению REST/NRSF. Клетки с низкими уровнями REST/NRSF являются готовыми для транскрипции некоторых нейрональных генов. В дифференцированных нейронах транскрипционная репрессия REST/NRSF приводит к дерепрессии большинства содержащих RE1 генов. Интересно, что в зрелых нейронах класс стимулами индуцированных генов сохраняет метилирование на ДНК и продолжает связывать с помощью REST корепрессоры MeCP2 и Co-REST. После деполяризации мембран экспрессия одного из таких генов, brain-derived neurotropic factor (BDNF), регулируется позитивно, а MeCP2 высвобождается, тогда как Co-REST остается неизменным. Авт. полагают, что Co-REST персистирует как платформа для облегчения динамичной генной регуляции в зрелых нейронах. Эта работа показывает, что незначительные манипуляции с REST и его корепрессорами подготавливают клетку к нейрональному потенциалу в следующей фазе развития.

TERMINAL DIFFERENTIATION

DNA and Histone Methylation are required for Differentiation of Specific Organs

Многие гены, которые регулируют эпигенетические механизмы, экспрессируются повсеместно и являются важными для жизни. Эти характеристики делают трудным выявление эпигенетических потребностей для развития и дифференцировки специфических типов клеток. Недавно Rai et al исследовали эту проблему путем редукции, но не устранения экспрессии DMNT1 и HMT Suv39h1 у эмбрионов рыбок данио путем инъекций трансляцию блокирующих антисмысловых morpholino oligos (Rai et al., 2006). Неожиданно фенотипы морфантов по обоим генам в основном фенокопировали один др., а наблюдаемые дефекты варьировали специфически. Терминальная дифференцировка была нарушена в кишечнике, экзокринной части панкреас и сетчатке, тогда как др. органы оказались не затронутыми. Объяснение наблюдаемым идентичным фенотипам дают генетические и биохимические данные, которые показывают, что DMNT1 и Suv29h1 функционируют на одном и том же пути. И метилирование цитозина ДНК и метилирование Н3К9 редуцированы у DMNT1 морфантов, а избыточная экспрессия suv391 восстанавливает DMNT1 морфантов . Остается определить, какие гены затрагиваются этими двумя регуляторами и какие молекулярные сигналы запускают их молчание. Ответы на эти вопросы помогут определить, регулируют ли эти эпигенетические модификации дифференцировку др. типов клеток.

Long-Distance Chromosomal Interactions Mediate Olfactory Receptor Choice

У мышей обонятельный сенсорный нейрон экспрессирует только 1 из 1300 обонятельных рецепторных (OR) генов. Как один ген экспрессируется исключая все остальные. Недавно было установлено, что выбор OR обеспечивается за счет межхромосомных взаимодействий (Lomvardas et al., 2006). H ДНК последовательность, как ранее было обнаружено, действует как энхансерный элемент в цис-положении для кластера OR генов. В данном исследовании флюоресцентная in situ гибридизация (FISH) визуалировала ассоциацию Н с OR генами в транс-положении. Эти авт. обнаружили также, что один аллель Н делается молчащим с помощью метилирования ДНК, находка, которая подсказала идею, что Н может активировать только один ген в даный момент. В подтверждением этого служат обонятельные нейроны у трансгенных мышей, несущих более одного активного Н элемента, и OR псевдогены, экспрессирующие два OR рецептора, один эндогенный и один псевдоген, у менее чем 1% клеток. OR псевдоген был использован для обмана негативной петли обратной связи, причем выбор OR гена предупреждал экспрессию др. OR гена. Авт. полагают, что выбор OR контролируется случайной, дальнодействующей хромосомной ассоциацией одиночного Н энхансерного элемента с одиночным OR геном.

Сайт создан в системе uCoz

Epigenetics in Development J.C.Kiefer Dev. Dyn. V.236, P.1144-1156, 2007

Epigenetics in Development
J.C.Kiefer
Dev. Dyn. V.236, P.1144-1156, 2007