Необходимые наборы генов помещаются или поддерживаются в деконденсированном — or 'potentiated' — состоянии в клетках предшественниках клона. Потенциация характеризуется 'open' структурой хроматина, которая делает локус доступным ткане-специфическим факторам.

Гематопоэтическая программа инициируется, начиная со стволовых клеток, которые дают несколько различных клонов. В мультипотентных гематопоэтических ствовых клетках многие гены, имеющие тношение к выбору разных клональных судеб, транскрибируются до выбора какого-либо определенного клонального пути. До этого выбора существует общее 'permissive' состояние, при котором гены, специфичные для разных клонов м. находиться в открытой конфигурации хроматина. Более того, последующая активация генов для любого из клонов, очевидно сопровождается закрытием доменов тех генов, которые связаны с предопределением другой потенциальной судьбы. Напр., развивающаяся глотка Caenorhabditis elegans обнаруживает униформную структуру
EUCHROMATIN в ядрах тех клеток, которые предетерминированы к судьбе клеток глотки ( Рис. 2a). Однако, дифференцировка этих клеток, связанная с активацией специфичных для глотки генов и экстенсивным образованием гетерохроматина, указывает на то, что другие домены м.б. инактивированы (Рис.2b).
(Рис.2.) | Chromatin condensation accompanies cellular differentiation.

Столь большие изменения в структуре хроматина сопровождают клеточную дифференцировку. Конденсация хроматина и молчание генов коррелируют с изменениями в нуклеосомальной структуре, характеризующимися деацетилированием стержневых гистонов и накоплением линкерных гистонов
(Box.1) . Напр., дифференцировка эмбриональных стволовых клеток сопровождается прогрессивным деацетилированием histone H4 в гетерохроматине вокруг центромеры. Напротив, ацетилирование гистоновых хвостов характеризует 'открытые' (nuclease-чувствительные) домены и принимает участие в активауии промотора
(Рис.3.) | Chromatin structure and gene expression.

Хотя потенциация гена обязательно для транскрипции, она сама по себе не достаточна для полной активации промотора. Напр., α-globin локус, находящийся в области, которая постоянно открыта, не транскрибируется в не-эритроидных клетках. Чувствительность к нуклеазе потенциально активных генов — напр., β-globin локуса и c-myc — коррелирует с их уровнем ацетиляции гистона H4, независимо от их транскрипционной активности. Следовательно, открытие хроматина и ацетилирование гистонов представляет собой первую ступень двухступенчатого механизма запуска генной экспрессии — потенциацию гена перед транскрипционной активацией промоторов.

Изучение erythroleukaemia (MEL) клеток у мышей позволяет сравнить β-globin локус до и после индукции дифференцировки. В результате установлено, что он м. существовать в двух отдельных структурных состояниях. Первое - это потенцированная структура хроматина в клетках, которые детерминированы стать эритроидным клоном, но терминально еще не дифференцированы. Второе - это активированное состояние, обнаруживаемое у окончательно диференцированных клеток. В потенцированном состоянии локус β-globin наиболее чувствителен к перевариванию нуклеазами, по сравнению с не-эритроидными клетками, когда нуклеосомы ранжированы в регулярный (фазовый) паттерн вдоль гена β-globin. В MEL клетках, однако, фазовость нарушена как перед, так и после индукции дифференцировки и это коррелирует с повышенной общей чувствительностью к DNaseI. Более того, в неиндуцированных клетках, не-транскрибируемый ген β-globin содержит сверхчувствительный сайт в intervening последовательностях II, обнаруживающий связь с негистоновым белком. В индуцированных клетках, однако, транскрипция гена β-globin ассоциирует с появлением гиперчувствительного сайта в промоторе и увеличение общей чувствительности к нуклеазам.

Как ткане-специфичные гены поддерживаются в открытой хроматиновой конфигурации перед активацией промотора? Молекулярный механизм пока неясен.

Changes in nuclear structure and differentiation

Хотя нуклеосомная организация хромосом достаточно изучена, структуры высшего порядка в хромосоме интерфазного ядра изучены плохо. FISH позволят визуализировать отдельные гены в интерфазном ядре и анализировать их топографию
(Рис.4.) | Fluorescence in situ hybridization to study gene localization.

М. различить два основных уровня ядерной организации. Во-первых, хромосомы и гены представлены дискретными ядерными зонами в объеме ядра ( 'chromosome territories'). Эти территории занимают не случайные положения в интерфазном ядре. Во-вторых, многие ядреные функции — такие как репликация, процессинг РНК и транскрипция - происходят в хорошо-определенных компартментах ядра.

Предполагается, что активные и неактивные области генома, а также белковые факторы, участвующие в активации или репрессии экспрессии генов, компартментализованы внутри ядра. Чувствительные к нуклеазам области хроматина и сайты активной транскрипции локализованы в кластерах, рассеяных по всему ядру. И если хромосомы с немногими генами часто ассоциируют с периферией ядра, богатые генами хромосомы располагаются глубже. Гены одной и той же хромосомы подвергаются дальнейшей компартментализации в активные и неактивные домены внутри хромосомных территорий: некодирующие последовательности обнаруживаются распределенными внизу или случайно в хромосомных территориях, тогда как потенциально активные гены, независимо от их транскрипционной активности, преимущественно располагаются по периферии хромосомных территорий. Поверхностные области хромосм взаимодействуют с ядерным пространством между хромосомными территориями, т. наз. межхромосомными доменами, где происходят транскрипция генов и сплайсинг мРНК. Более того, транскрипционно активные кластеры генов м.б. обнаружены на больших хроматиновых петлях, отходящих от поверхности хромосомных территорий, указывая тем самым, что геномные последовательности м.б. привлечены в условия, которые пермиссивын для транскрипции.

Если активная транскрипция концентрируется во фракции ядра, то вполне возможно, что RNA polymerase II и специфические транскрипционные факторы также будут накапливаться в этих ядерных компартментах. На самом деле значительная доля активной транскрипции ко-локализуется с RNA polymerase II или основными транскрипционными фактрами, а также с TATA-box binding protein ( TBP).

Однако, большая доля молекул транскрипционных факторов не ассоциирует с местами активной транскрипции и с RNA polymerase II; функция этих сайтов неясна. Возможно, это хранилища. В таком случае они д.б. специфичными для определенных транскрипционых факторов, т.к. большинство факторов занимает неперекрывающиеся сайты.

Факторы, вызывающие молчание генов, также ко-локализуются др. с др. и с конституитивным гетерохроматином. Эти фактры включают белки, ассоциированные с гетрохроматином ( heterochromatin protein 1 (HP1), SUV39H1 и Ikaros),
METHYL-DNA-BINDING DOMAIN PROTEINS ( MBDs) и histone deacetylases ( HDACs). Напр.,, MBD белки ассоциирут с большими
SATELLITES iв эмбрионаьных стволовых клетках, a HDACs
(Box.1)колокализуются с цетромерной ДНК.

Подтверждается идея, что эукариотические ядра функционально подразделены на гетерохроматиновые компартменты, которые репрессируют транскрипцию и компартменты, в которых транскрипция разрешена.

Некоторые данные указывают на то, что центромеры и
CONSTITUTIVE HETEROCHROMATIN создают структурный каркас для этой ядерной архитектуры и что изменения этой архитектуры связаны с девесификацией клеток. Во время интерфазы конституитивный гетерохроматин конденсируется. Положение центромер в интерфазном ядре, по-видимому, специфично для каждого типа клеток и м. меняться во время клеточного цикла, во время дифференцировки или трансформации. В клетках млекопитаюих центромеры обнаруживают тенденйию образовывать кластеры,
CHROMOCENTRES . Специфические комбинации центромер найдены в хромоцентрах фибробластов и гематопоэтических клеток. Более того, они, по-видимому, отличаются в зрелых клетках разных гематополэтических ростков. Меняется и положение хромосом, специфических хромосомных доменов или транс-действующих факторов в ходе клеточного цикла, дифференцировки и злокачественной трансформации.

Nuclear compartmentalization

Экспериментальные доказательства подтверждают идею, что расположение генов вблизи гетерохроматиновых компартментов способствует их молчанию. Во время дифференцировки лимфоцитов мыши молчащие гены наследуются и это связано с их перемещением к центромерам. У человека домен β-globin гена м. обнаруживаться в разных местах интерфазного ядра по отношению к гетерохроматиновым компартментам. Его расположение в эритроидных ядрах коррелирует с конфигурацией как хроматина так и общего ацетилирования локуса, но не с транскрипцией гена &beta>-globin. Стабильно наследуемое открытое состояние хроматина локуса м.б. обусловлено его секвестрацией в пермиссивном компартменте.

Др. silencing системы — такие как Sir-зависимая, теломерная и молчание mating-type-locusу дрожжей — ассоцированы с компартментализацией млчащих генов. Теломерное silencing происходит в компартменте на ядерной оболочке, где теломеры образуют кластеры и концентрация Sir белков высокая. Более того, помещение локуса на периферию ядра может провоцировать Sir-опосредованное молчание.

Нет прямых доказательств, что ассоциация с центромерным гетерохроматином является причиной центромерного молчания. Напр., активный трансген м. располагаться вблизи центромерного гетерохроматина. Однако, транскрипция и структура открытого хроматина трансгена являются нестабильными в этом компартменте. Напротив, молчащий трансген м. находиться вне центромерного гетерохроматина, а временное молчание гена во время дифференцировки В-клеток не связано с перемещением его в район ценромеры.

Итак, хотя имеются доказательства того, что нахождение в специфических компартментах м. влиять на транскрипционную актинвость, подобная компартментализация, по-видимому. не является абсолютно необходимой. В целом, однако, стабильно наследуемая генная активность и конфигурации открытого хроматина? по-видимому, связаны с их нахождением вне центромерного гетерохроматина, тогда как стабильно наследуемое генное молчание нуждается в нахождении вблизи центромерного гетерохроматина.

**Role of cis-acting elements**

Последовательности, которые обеспечивают молчание описаны у дрожжей и Drosophila, это м.б. ансамбль белков, который первоначально связан с
SILENCER ELEMENTS . Такая репрессивная структура может затем расползаться вдоль хроматина.

Mating-type silencing у дрожжей вызывается nucleation репрессивной хроматиновой структуры в элементах сайленсера с последующим разрастанием этой структуры. Это молчание связано как с молчащей структурой хроматина, так и расположением молчащих областей вблизи периферии ядра. Это указывает на то, что ядерные компартменты и расширение специфических хроматиновых структур не являются несовместимыми феноменами. Теломерное молчание у дрожжей связано со сходным распространением молчащего хроматина, обеспечиваемое Sir белками и связанное с гипоацетилированием гистонов. Сходная nucleation и расширение объясняют молчание генов, расположенных вблизи гетерохроматина у высших эукариот и для Polycomb-mediated gene silencing у Drosophila — системы, необходимой для поддержания неактивнго состояния генов, содержащих Polycomb response element (PRE). Т.обр., PRE это единственный пример цис-элемента, ответственный за молчание у высших эукариот.

Энхансеры м. противодействовать таким событиям молчания. Энхансеры м. поддерживать экспрессию генов, предупреждая их локализацию вблизи репрессивного гетерохроматиновго компартмента
(Рис.5.) | Activation at the β-globin locus: a multistep process?

Ситуация в мультигенном эндогенном локусе, по-видимому. более сложна по сравнению с упрощенной структурой трансгена. У человека β-globin
LOCUS CONTROL REGION (LCR) хотя и существенна для транскрипционной активации, однако недостаточна для релокализации нативного локуса прочь от гетерохроматина. Предполагается существование многочисленных фактор-связывающих сайтов вдоль всего нативного локуса, которые очевидно отвечают за субъядерную локализацию и хроматиновую структуру. Итак, цис-действующие элементы иные, чем LCR, но со сходной функцией, м. поддерживать локус β-globin в конфигурации открытый хроматин/acetylated, располагаясь вне центромер.

Имеются разные способы, с помощью которых генетические регуляторные элементы, такие как энхансеры и LCRs, м. вызывать выход из гетерохроматина. Инициальный транскрипционный фактор, связывая энхансер м. способствовать помещению локуса в ядерный компартмент, обогащенный комплексами, ремоделирующими хроматин , и histone acetyltransferases (HATs; напр., HAT1), а также др. элементами транскрипционной кухни.

Нестабильность генной экспрессии вблизи гетерохроматина м.б. связана как раз с низкой концентрацией позитивных транскрипционных регуляторов в гетерохроматиновом компартменте и с высокой концентрацией негативных регуляторов. Наипростейшим механизмом активации с помощью регуляторных элементов является тот, при котором транскрипционные активаторы связываются с регуляторными элементами и разрывают локальные взаимодействия между локусом и гетерохроматином, позволяя гену двигаться в активный компартмент.

Ткане-специфичные энхансеры м. препятствовать сцепленному гену включаться в
FACULTATIVE HETEROCHROMATIN , который образуется во время дифференцировки, позволяя тем самым быть активным в соответствующем клоне. Хромосомные аномалии и
ANEUPLOIDY , которые часто нарушают архитектуру ядра, могут влиять на экспрессию генов не только в поврежденных хромосомах, но и в соседних хромосомных областях.

Открытый Хроматин (детерминация)

Links

Gene potentiation during differentiation

Changes in nuclear structure and differentiation

Nuclear compartmentalization

**Role of cis-acting elements**