PcG and trxG Control
ПОДДЕРЖАНИЕ АКТИВНОГО И РЕПРЕССИВНОГО СОСТОЯНИЯ

MECHANISMS OF TRANSCRIPTIONAL MEMORY

Nicole J. Francis & Robert E. Kingston
Nature Reviews Molecular Cell Biology 2, 409-421 (2001)
Стабильность дифференцированного состояния является краеугольным камнем развития. Организмы с диффернцированными тканями д. устанавливать ткане-специфические паттерны экспрессии генов в раннем развитии и поддерживать их в течение всей жизни.
Многие решения клеточных судеб определяются на транскрипционном уровне в ответ на онтогенетические сигналы. Некоторые существенные регуляторные факторы экспрессируются временно, однако заданные ими паттерны экспресси генов персистируют. Поддержание этих транскрипционных состояний осуществляются механиситчески определенными факторами. Напр., паттерны экспрессии гомеозисных генов у   Drosophila melanogaster д. точно и клонально поддерживаться в течение всего развития, но транскрипционные факторы, которые создалди эти паттерны экспрессируются лишь в течение нескольких часов эмбриогенеза. Их поддержание нуждается во втором наборе яакторов, кодируемых  Polycomb (PcG) и trithorax (trxG) группами генов.
Система PcG/trxG эволюционно законсервирована от Drosophila до млекопитающих. Она, по-видимому, регулирует многие гены-мишени помимо гомеозисных генов, указывая тем самым, что EPIGENETIC поддержание активированного или репрессированного состояния м.б. фунлдаментальным онтогенетическим механизмом. Семейство PcG к настоящему времени содержит 14 членов. Они, по-видимому, действуют в составе больших белковых комплексов, репрессируя экспрессию генов.
Гены trxG идентифицированы как супрессоры PcG фенотипов. Большинство trxG белков участвует также в регуляторных комплексах, которые действуют на уровне хроматиновых матриц для поддержания активной экспрессии генов и противодействуют PcG репрессии. Некоторые гены имеют как PcG так и trxG фенотипы.
Boxes


Box 1 | PREs и TREs
Polycomb response elements (PREs) are ДНК sequences that target PcG белки to specific genes. PREs consist of several elements of 100-300 base pairs that alone have weak function, but together can maintain expression patterns. Complex loci, such as those encoding homeotic genes, are regulated by several PREs.

Most PcG белки do not have sequence-specific ДНК-binding activity, so the simplest model for PRE function is that recruitment factors bind to sequences in PREs и interact with PcG белки (Table 2). GAGA, Zeste и Pleiohomeotic (Pho) can bind PREs; GAGA co-immunoprecipitates with PcG proteins, и Zeste is associated with Polycomb repressive complex 1 (PRC1) (A. Saurin и R.E.K., submitted). These белки are therefore candidate recruitment factors. The self-aggregating properties of PcG белки might themselves contribute to recruitment, so that only a fraction of PcG complexes may interact with recruitment factors.

Studies of the PRE's counterpart - the trithorax response element (TRE) - have provided insight into how the opposing actions of trxG и PcG might be coordinated. PREs seem to overlap TREs in many cases, which is also consistent with the finding that trxG и PcG белки share many binding sites. This overlap could facilitate functional interactions between PcG и trxG белки, или it could reflect the use of shared recruitment factors.

PRE/TREs seem to act as 'memory' elements that can be directed to activation или repression, depending on whether PcG или trxG complexes are stably recruited to them. As discussed, establishment of PcG или trxG complexes at PRE/TREs could be determined by aspects of the chromatin template that reflect transcriptional state ( Fig. 2). This hypothesis is supported by work on the Fab7 PRE/TRE, which suggests that it functions as a switchable element that can maintain either PcG-dependent repression или trxG-dependent activation.

Sequence analysis of several PREs identified consensus Pho-binding elements in many of them, leading to the suggestion that Pho is an important recruitor of PcG complexes. Mutation of Pho-binding sites in a PRE-driven transgene decreased expression of mini-white in eyesbut similar transgenes do not require Pho-binding sites for embryonic PcG-mediated repression. These data raise the possibility that Pho is important in later stages of PcG repression; several studies have noted differences in the stability of PcG-mediated silencing in embryos и larvae, indicating that additional factors might be required at later stages. Pho и its mammalian homologue, YY1, were recently shown to interact with the homologue of Extra sex combs (Esc), embryonic ectoderm development (EED); Esc is thought to be important for early events in PcG-mediated repression . More data will be needed to determine the exact role of Pho in targeting PcG белки.

Box 2 | Mammalian PcG и trxG белки и complexes
The Polycomb (PcG) и trithorax (trxG) genes are highly conserved in mammals. Regulation of homeotic genes by PcG и trxG is also conserved in mammals, where genetic data indicate these белки maintain expression of at least some Hox genes in mice.

Little is known about how mammalian PcG белки are targeted because PREs have not been identified in mammals. The sequence-specific ДНК-binding protein YY1, which is implicated in transcriptional regulation, is the homologue of Pleiohomeotic (Pho), however, indicating that some targeting mechanisms might be conserved. No GAGA- или Zeste-like белки have been found in mammals, but RYBP (RING1- и YY1-binding protein), which has not been identified in Drosophila, binds RING1, M33 и YY1, и has been suggested as a potential targeting factor, as has E2F6, which can interact with BMI1.

The complexes formed by PcG и trxG белки also seem to be conserved between Drosophila и mammals. There seem to be two basic types of PcG complex: one containing homologues of Polycomb (Pc), Polyhomeotic (Ph), Posterior sex combs (Psc) и RING1, analogous to Polycomb repressive complex 1 (PRC1); the other containing homologues of Extra sex combs (EED) и Enhancer of zeste (ENZ). There are several homologues of Brm, Mor и Osa, и several highly related human SWI/SNF complexes that contain these белки. The conservation of the белки, their interactions, и their activities suggests that the basic mechanisms by which PcG и trxG complexes influence chromatin structure are likely to be similar, although some target genes и recruitment mechanisms might be different.

Links

DATABASE LINKS
Pc | Psc | Sir2 | Su(var)3-9 | Esc | E(z) | Mi-2 | Rpd3 | p55 | Scm | SUV39H1 | HP1 | Brm | Mor | Osa | Kohtalo | Kismet | Trx | Ash1 | Ash2 | Snr1 | Swi1 | BAF250 | E(Pc) | Zeste | Crm | Su(z)2 | Pho | YY1 | EED | RYBP | RING1 | E2F6 | BMI1
ENCYCLOPEDIA OF LIFE SCIENCES
Gene silencing in development (Drosophila)

Repression by the PcG complex

Targeting of PcG-mediated repression. Специфические паттерны экспрессии генов, регулируемых PcG, комбинируемые с широко распространенной экспрессией PcG белков, указывают высоко избирательные механизмы выбора мишеней для PcG-опосредованной репрессии. Во-первых, рекрутирование PcG белков нуждается с последовательностях ДНК, известных как Polycomb response elements (PREs; Box 1). Функцией PREs является, по-видимому, привлечение высоких концентраций белков PcG, необходимых для формирования репрессивных хроматиновых структур, одинаково с др. cis элементами, привлекающими свои факторы cognate связывания. во-вторых, PcG репрессия, по-видимому. нуждается в молчащих генах в качестве матрицы. Эти свойства позволяют PcG системе функционировать как система памяти, которая  'навешивает замок' в месте предыдущих регуляторных событий, подобных тем, что управляются SEGMENTATION GENES — активными генами, которые не подпадают под PcG репрессию и тем самым остаются активными, тогда как молчащие гены являются стабильно репрессированными. Т.обр., в трансгенах, содержащих PRE последовательности, PcG репрессия осуществляется, по-видимому. только в тех клетках, в которых энхансер не был активным до начала функции PcG у эмбриона, так что паттернs экспрессии ранних энхансеров поддерживаются в течение всего развития.
Простейшей моделью того, как PcG белки распознают транскрипционно молчащие состояния являются молекулярные свойства хроматина  в репрессированных генах, которые  сравнимы с или стабилизируют сборку PcG комплексов. Молекулярные различия между транскрипбируемыми и не транскрибируемыми генами, включают ассоциированные белки, модификации гистонов, ремоделированные нуклеосомы и компакцию хроматина, все они м. влиять на связывание белков с нуклеосомами. Альтернативно, внутренне присущим состоянием PREs м.б. сборка PcG комплексов, но свойства активно транскрибируемых генов м. препятствовать их сборке или дестабилизировать их.
Mechanism of PcG-mediated repression. Транскрипция является многоступенчатым процессом и репрессоры м. дейстовать на любой или нескольких ступенях. Транскрипция м.б. репрессирована путем образования хроматиновой структуры , которая блокирует доступ транкрипционной кухни непосредственно или косвенно, путем ингибирования ремоделирования хроматина, которое необходимо для доступа (Рис. 1a). Ингибирование сборки или функции транскрипционной кухни (machinery) также способствет репрессии. Как бвзовые, так и ген-специфичные регуляторные факторы или взаимодействия между ними, м. б. мишенями репрессии (Рис. 1b). Кроме того, репрессия м. вовлекаться в создание  уникального ядерного домена или в рекрутирование в него генов (Рис. 1с).

(Рис.1.)  |  Repression of transcription by PcG complexes.

Предложены две модели для объяснения как PcG белки м. создавать репрессивные хроматиновые структуры. Согласно первой PcG белки формируют повторяющиеся единицы, которые являются интегральной частью репрессированых хроматиновых структур (Рис. 2a,b). Эта модель подтверждается способностью PcG репрессии 'распространяться' на соседние гены от PRE-содержащих трансгенов и строгими эффектами дозы PcG белков на репрессию. Согласно второй модели связывание PcG белка концентрируется в специфических сайтах, которые  'организуют' репрессированные хроматиновые структуры на большом расстоянии (Рис. 2d).

(Рис.2.)  |  Models for action of PcG белков over long distances.

Изучение PcG-регулируемых генов in vivo больше сгласуется с моделью 'организатора'. Во-первых, картирование с высоким разрешением PcG связывания с хроматином in vivo показало, что связывание PcG происходит кластерами на PREs и промоторах скорее, чем распространяется униформно по хроматину. Во-вторых, доступность ДНК не очень заметно снижена в репрессированных PcG генах. Наконец, исследования, при которых PREs вырезали с помощью рекомбинации во время развития, показали непрерывную потребность в PREs для поддержания silencing. Этот результат согласуется с идеей, что PREs образуют важный компонент репрессивных структур. Этим объясняется и потребность в PREs для восстановления PcG репрессии после каждоко клеточного цикла.
Какую роль играют взаимодействия  между PcG белками и элементами хроматина в репрессии? Наблюдаение, что PcG белки , возможно, неуниформно 'одевают' обширные области хроматина не исключает возможности того, что повторяющиеся PcG комплексы взаимодействуют с нуклеосомами в PRE областях или что они образуют повторяющиеся единицы из нескоьких нуклеосом (Рис. 2b). PcG комплексы м. концентрироваться в PREs, но также и распространяются вдоль хроматина репрессированных генов на относительно большие интервалы (предопределяемые элементами хроматиновой структуры высшего порядка скорее, чем последовательностями ДНК). Этот низкий уровень связывания PcG м. и не обнаруживаться в исследованиях перекрестной иммунопреципитации. Физическое ограничение целостности в этой модели включает относительное обилие PcG белков в клетках, которое устанавливается на верхнем пределе в ряде PcG комплексов в каждом сайте, а длина хроматина (выражаемая в количестве нуклеосом) каждого PcG комплекса м. варьировать неизвестно как.
Важно знать, как белки, сконцентрированные  в дискретных сайтах, действуют на большом расстоянии, передавая репрессию промоторам. Емеется, по крайней мере, две возможности  — или PREs м. непосредственно контактировать с промоторными областями посредством образования петли (Рис. 2c,d), или структуры, инициированные в PRE распространяются вдоль длины ДНК до промотора (Рис. 2a,b). Такое распространение могло бы быть опосредовано взаимодействиями PcG белков с хроматином или путем связывания PcG белка с соседними, более слабыми PRE-содержащими последовательностями. такое же решение м. предложить для объяснения того, как удаленные энхансеры общаются с промотарами. Для энхансеров было сделано предположение, что непосредственные межбелковые взаимодействия  между широко расставленными элементами сближают некоторые энхансеры и промоторы. PcG белки связываются как с PREs так и промоторными областями, делая возможным прямой контакт между PRE- и связанными с промотором PcG белками, доставляя некоторые PREs, расположенные на расстоянии, в плотные, репрессивные структуры, которые включают промотор (Рис. 2c,d).
Имеется множество примеров регуляторных факторов, которые действуют через хроматиновые структуры, которые, по-видимому, оказывают свое влияние в первую очередь на промоторы просимальных нуклеосом. Имеются также примеры относительно больших регионов измененных хроматиновых структур, которые характеризуются в клетках млекопитающих паттернами ацетилиования гистонов, ДНК метилирования и доступности ДНКse I . Принимая во внимание большие расстояния между регуляторными элементами и промоторами PcG-регулируемых генов, кажется возможным, что PcG-опосредованная репрессия распространяется на большие регионы хроматина, хотя м.б. и специфические модификации в промоторных регионах. Границы элементов, которые  присутствуют в гомеозисных генах и работают одновременно с PcG, м.б. важными для демаркации доменов PcG-обусловленной репрессии.
Одним из механизмов состояния стабильной генной экспрессии является рекрутирование уникальных ядерных доменов, в которых м. б. сконцентрированы определенные регуляторные факторы или хроматин-модифицирующие активности. На млекопитающих получены доказательства того, что рекрутирование генов в центромерный HETEROCHROMATIN является важным  механизмом silencing. Изучение теломерного silencing у дрожжей и функции gypsy инсуляторных последовательностей у Drosophila иакже указывает на то, что эти процессы м.б. скоррелированы с локализацией уникального ядерного домена, вблизи периферии ядра. Эти данные открывают возможность, что PcG-обусловленная репрессия связана с рекрутированием в уникальный домен и на самом деле имеются доказательства на линиях клеток человека того, что 'PcG bodies' м. представлять такой домен.  Иммуноокрашивание на  Polycomb (Pc), Polyhomeotic (Ph) и Posterior sex combs (Psc) у эмбрионов Drosophila показывает, что PcG белки распределены в виде небольших точек в ядрах, однако, их число сходно с числом дисков, обнаруживаемых в POLYTENE CHROMOSOMES . Анализ распределения GFP–Pc слияний выявляет точки Pc в ядрах на поздних стадиях развития в специфических ядреных доменах. Эти данные не подтвердили идею, что PcG-регулируемые сайты образуют кластеры внутри ядерного домена у развивающихся эмбрионов, а скорее показали, что PcG репрессия происходит независимо в каждом гене. Чувствителные к спариванию характеристики PREs показали, что  оба аллеля генов, репрессируемых PcG, м.б. ко-локализованы и что взаимодействие между PcG комплексами разных аллелей м. участвовать в регуляции. Хотя эти данные подтверждают, что образование кластеров PcG белков внутри уникального ядерного домена является центральным в механизме PcG-опосредованной репрессии, однако характеристики 'nuclear domains' все еще неясны.
Histone modification by the PcG. Возможно, что PcG/trxG механизмы, включая ковалентные модификации гистонов, указывают на повсемстную природу этого класса механизмов для регуляции генов. Общие корреляции между активацией генов и ацетилирование гистонов, а также репрессией генов и деацетилированием гистонов известны давно, однако, известно множество типов модификаций гистонов и то, что специфические паттерны и комбинации этих модификаций скорее всего кодируют регуляторную информацию. Для др. систем, в которых белковые комплексы формируют хроматиновые структуры, которые репрессируют экспрессию генов, модификации гистонов связаны , по крайней мере, с одним из регуляторных белков. Напр., белок Saccharomyces cerevisiae Sir2, интегральный компонент молчания теломер, локусов типов спаривания и рибосомальных РНК генов,  обладает как NAD-зависимой ADP ribosylase, так и deacetylase активностью в отношении гистонов. Гомолог млекопитающих, Su(var)3-9 белок, который участвует в формировании гетерохроматина обладает HISTONE METHYLTRANSFERASE активностью.
Получены доказательства связи модификаций гистонов с функцией PcG.  function. Стабильная экспрессия активированных генов, управляемая с помощью FAB7 PRE/TRE (trithorax response element; Box 1) после пульсового воздействия Gal4 активатора . Ассоциирует с гиперацетилированием гистона H4, указывая тем самым, что гиперацетилирование м. использоваться для исключения PcG-обусловленной репрессии. У млекопитающих и Drosophila Extra sex combs (Esc)/Enhancer of zeste (E(z)) комплексы взаимодействуют с гистоновыми деацетилазами.  Мутации в Mi-2, ATФ-зависимом  факторе, ремоделирующим хроматин, в гомологах млекопитаюих, которые функционируют с гистоновыми деацетилазами в NURD репрессивном комплексе, усиливают проявление PcG мутаций. Однако гистоновые деацетилазы вряд ли единственное средство репрессии с помощью PcG, т.к. репрессия трансгенов, искусственно вызванная PcG белками в ооцитах Xenopus laevis, не подвергается ингибированию деацетилазной активность.
Interactions with the transcription machinery? Хотя PcG комплексы м. поддерживать репрессивное состояние  самостоятельно через взаимодействие с хроматиновыми матрицами, они м. также прямо влиять на транскрипцию (Рис.1.), (Рис.2c.). Имеется прецендент для обеих моделей: напр., комплекс SAGA как ацетилирует гистоны, так и непосредственно контактирует с общей транскрипционной кухней (machinery), комплексы семейства SWI/SNF (trxG members), по-видимому, действуют самостоятельно, влияя на мобилизацию нуклеосом.
Возможность, что PcG белки взаимодействуют прямо с транскрипционной кухней известна давно, но нет убедительных доказательств. Искусственно присоединенные PcG белки репрессируют транскрипцию как у эмбрионов Drosophila , так и на временно внесенных матрицах в клетках культуры ткани (которые, по-видимому, образуют менее развитые хроматиновые структуры, чем стабильно интегрированные и реплицированные матрицы). Это м. (а м. и нет) отражать механизмы хроматин-независимой  репрессии. Инсуляторы, которые повсюду интерферируют с общением энхансера с промотором , м. блокировать репрессию с помощью PcG белков как у эмбрионов Drosophila, так и в клетках млекопитающих, несущих эписомные репортеры. Одним из объяснений этих данных м.б. то, что PcG белки также контактируют или с промоторами или с энхансерами (или обоими). Связывание Pc и Gal4 является действительно эксклюзивным (на микроскопическом уровне) в политенных хромосомах, это указывает на то, что PcG белки м. интерферировать с активатором связывания в определенном контексте.  Наконец, перекрестное связывание и иммунопреципитация выявляют PcG белки в промоторных регионах, это указывает на то, что белки находятся на соответ. месте, чтобы взаимодействовать с транскрипционной кухней.

Biochemistry of PcG complexes

Изучение межбелковых взаимодействий среди PcG белков и очистка комплексов из эмбрионов Drosophila и клеток млекопитающих покзали существование, по крайней мере, двух типов комплексов PcG

(Табл.1)  | Polycomb и trithorax group genes

Первый класс комплексов PcG содержит E(z) и Esc, и исследования показывают прямое взаимодейтвие между этими двумя белками, подтверждая, что они образуют суть этого комплекса. Эти два белка также очищаются вместе с Rpd3 histone deacetylase и p55, гистон-связывающим белком, обнаруживающимися также в хроматин-ремодулирующем комплексе NURF и в chromatin-assembly комплексе CAF1 . Esc необычен среди PcG белков тем, что, по-видимому, необходим только временно. Это наблюдение ведет к предположению, что комплексы м. действовать последовательно, с  Esc/E(z) комплексом необходимым для установления PcG-репрессированного состояния. Наблюдаемая непрерывания роль E(z) в поддержании связывания PcG с хромосомами и в др. регуляторных процессах указывает на то, что этот белок м. функционировать и в др. комплексах.
Второй класс PcG комплексов представлен Polycomb repressive complex 1 (PRC1),  3-MDa комплексом, очищенным из эмбрионов Drosophila. Этот комплекс содержит PcG белки Ph, Pc и Psc на stoichiometric уровнях, и в substoichiometric количествах  Sex comb on midleg (Scm). Присутствие этих белков в PRC1 согласуется с их точной ко-локлизацией на политенных хромосомах и с ранними исследованиями по ко-иммунопреципитации. Установлено, что Pc и Ph могут взаимодействовать с Psc, тогда как  Scm и Ph м. взаимодействовать др. с др. или сами с собой. Более того, некоторые PcG белки, которые еще не найдены в этих комплексах, ко-локализуются с членами этих комплексов и взаимодействуют с ними генетически. Мутации PcG генов вызывают как перекрывающиеся, так и отдельные фенотипы, имеется, по-видимому, несколько PcG комплексов (которые м. регулироваться онтогенетически), которые действуют вместе для поддержания репрессивного состояния.
Мало известно об активности этих комплексов, хотя chromatin-based активности были описаны в ассоциации с обоими. PRC1 блокирует ремоделирование хроматина с помощью родственного trxG комплекса SWI/SNF in vitro, это согласуется с предположением, что PcG белки прямо противодействуют функции trxG белков. PRC1 должен быть предварительно связан с матрицей, чтобы ингибировать ремоделирование  —  поразительный результат в свете того, что PcG-опосредованная репрессия, по-видимому, устанавливается только на неактивных генах. SWI/SNF комплексы, как полагают, делают хроматиновые структуры более жидкими путеммобилизации и реконфигурации нуклеосом; PcG белки м. иметь оппозитные функции, 'anchoring' нуклеосомs так, чтобы предупредить их разрушение и сохранить структуру высшего порядка. E(z)/Esc комплекс содержит histone deacetylase, указывая тем самым. что он м. иметь ассоциированную деацетилазную активность, сходную  с гомологичными комплексами млекопитающих. Изучение влияния комплексов и изолированных PcG белков на хроматиновые матрицы in vitro будет важным для понимания базовых молекулярных механизмов, которые учствуют в репрессии.  На самом деле, рекомбинантный Pc белок м. связываться со стержневыми гистонами,  это первая биохимическая связь между PcG белком и хроматином.
Члены обоих типов комплексов участвуют в регуляции гомеозисных генов, но мало доакзательств прямого взаимодействия между двумя комплексами. Однако, E(z) участвует в связывании PcG белков PRC1-like комплекса с хроматином, указывая тем самым, что этот белок м. обеспечивать взаимодействия между комплексами. Это м. осуществляться через прямые межбелковые взаимодействия (хотя E(z) не обнаруживает взаимодействия с PcG белками в PRC1); альтернативно, это м. отражать важную функцию E(z) в модификации матрицы, что позволило бы  стабильное связывание др. PcG белков. Это должно быть обусловлено ассоциацией E(z) с chromatin-modifying активностями, такими как histone deacetylases (HDACs), или с внутренне присущей энзиматической  активностью, которая еще не описана. Интересно, что SET DOMAIN в гетерохроматиновом белке SUV39H1 необходим для  его histone methyltransferase активности. Метилирование гистонов также важно для рекрутации и поддержания локализации HP1, который м. связываться с метилированным гистонам H3 через его CHROMODOMAIN . Параллелизм между присутствием SET-доменового белка, белка (E(z)), и chromodomain белка (Pc) в PcG и гетерохроматиновой системе, указывает на то, что возможно гистон-модифицирующая роль  E(z) окажется важной для дальнейшего исследования, хотя  E(z), по-видимому, не обладает histone methyltransferase активностью SUV39H1.

The trxG и activation

Предполагается, что trxG содержит факторы, которые функционируют  на многих уровнях, чтобы поддержать экспрессию генов. Однако некоторые trxG белки прямо связаны с активацией транскрипции (Табл.1), а белки, действующие на др. уровнях не идентифицированы. Имеется три trxG белка у Drosophila SWI/SNF-related chromatin-remodelling комплекс (Brahma (Brm), Moira (Mor) и Osa); др. trxG белок, GAGA, также участвует в модуляции структуры хроматинаi. Kohtalo идентифицирован как гомолог TRAP 230, члена медиатор-подобного ко-активаторного комплекса млекопитающих, он способен непосредственно связываться с транкрипционной кухней. Др trxG белки находятся в разных комплексах, активность которых еще не охарактеризована. Однако многие из этих белков, такие как Kismet, Trithorax (Trx), absent, small или homeotic discs (Ash1), и Ash2, ассоциированы с хроматином. Следовательно, и здесь важный компонент trxG появляется на уровене хроматиновой матрицы. Функциональный антогонизм между двумя группами генов должен в принципе покоиться на противоположных эффектах на структуру хроматина.
Chromatin remodelling in trxG function. Brm - это ДНК-зависимая ATФase у Drosophila, гомолог SWI/SNFсемейства chromatin-remodelling комплексов. Комплекс Brm состоит приблизительно из 10 субъединиц, включая Mor и Snr1, которые взаимодействуют генетически с trxG. Гомолог Brm у человека достаточен для АТФ-зависимой активности ремоделирования нуклеосом, которая характерна для комплексов семейства SWI/SNF и эта функция усиливается у человека с помощью соотв. гомологов Mor и Snr1. Итак Brm, Mor и Snr1, по-видимому, образуют 'суть' комплекса, который необходим для ремоделирующей активности, тогда как др. субъединицы, по-видимому, регулируют и направляют эту активность. Идентификация стержневых компонентов комплекса, как членов trxG, указывает на то, что функцией trxG является ремоделирование хроматина.

Единственны др. членом комплекса Brm, который был идентифицирован как член  trxG является Osa. Белок Osa обнаруживает сходство последовательностей с дрожжевым Swi1 и человеческим BAF270/250 генами, и очищается совместно примерно на substoichiometric уровнях с Brm и Mor при строгих условиях. Это указывает на то, что Osa м. не быть существенным для базовой АТФ-зависимой ремоделирующей активности комплекса Brm, но он м. играть регуляторную роль в определенных комплексах, содержащих Brm. Действительно, показано, что белок Osa направляет специфические гены к мишеням, следовательно, м. направлять и субнабор комплексов Brm к специфическим промоторам.

Комплексы SWI/SNF семейства ремоделируют структуру нуклеосом и м. менять как позицию нуклеосом, так и конформацию нуклеосом. Эти комплекся м. 'двигать' нуклеосомы вдоль ДНК in cis и переносить гистоновые октамеры на голую ДНК; они м. формировать нуклеосомные структуры с измененной чувствительностью к нуклеазе; и они м.нарушать топологию закрытых циркулярных  нуклеосомных матриц. Эти изменения м. облегчать связывание активаторов  и общую транскрипционную кухню (machinery), и м. усиливать инициацию транскрипции и элонгацию in vitro. очевидно, что эффекты комплексов SWI/SNF на одиночные нуклеосомы будут оказывать важные влияния на взаимодействия между нуклеосомами. Напр., один из продуктов SWI/SNF реакции in vitro является стабильно ремоделированным димером из мононуклеосом. Хотя неизвестно, образуются ли подобные структуры in vivo, эти типы измененных меж-нуклеосомных контактов м. сказываться на структуре хроматина высшего порядка. 

Генетические исследования на дрожжах показали, что SWI/SNF-family комплексы постоянно необходимы для поддержания транскрипции их генов-мишеней. Неясно только, на какой ступени ремоделирования хроматина они участвуют. Поддержание транскрипции м., следовательно, нуждаться в постоянном управляемом SWI/SNF ремоделировании или SWI/SNF м.б. необходим только после относительно редких событий, которые вызывают инактивацию генов.

В др. системах комлекс SWI/SNF часто действует вместе с histone-acetylase-содержащими комплексами, чтобы активировать экспрессию генов. ash1 взаимодействует генетически с  histone acetyltransferase cbp, а Ash1 ко-локализуется с и м. взаимодействовать непосредственно с Trx. Snr1, компонент комплекса Brm, взаимодействует с Trx in vitro, открывая возможность, чтобы комплекс Brm и histone acetyltransferase (HAT) активность — возможно поставляемая с помощью Trx и Ash1 — действовали совместно, чтобы поддерживать 'открытую' конфигурацию хроматина. Ремоделирование хроматина м.б. также важным для исключения PcG белков и предупреждения сборки репрессивного хроматина путем разрыва межнуклеосомных контактов.
Изучение эффектов комплексов SWI/SNF на экспрессию генов показывает, что эти комплексы участвуют в репрессии, как и в активации. Это указывает на то, что ремоделирование м. способствовать ассоциации репрессоров с хроматином или облегчать образование таких конфигураций хроматина, которые несовместимы  с транскрипцией.  Интересно, что белок Osa участвует в репрессии генов-мишеней Wingless и эта активность нуждается в brm, указывая тем самым, что она м. использовать ремоделирующую активность комплекса Brm. Пока нет доказательств участия репрессирующей функции комплексов Brm в PcG репрессии.
Functions of GAGA и Zeste. некоторые гены обнаруживают генетические взаимодействия с или фенотипические характеристики генов PcG и trxG. Это E(Pc), E(z), GAGA и Zeste. Есть доказательства более экстенсивного перекрывания между двумя группами и даже было предположено существование третьего класса генов, усиливающих как PcG- так и trxG-обусловленные фенотипы (SWI/SNF complexes).  GAGA и Zeste обладают сиквенс-специфической ДНК-связывающей активностью ( Табл 2), и м. участвовать в рекрутировании как PcG, так и trxG комплексов. Тип поставляемого комплекса предопределяется контенстом хроматина.

(Табл.2)  | Recruiting factors

Несколько линий доказательств указывают на то. что Zeste м. функционировать как в trxG-обусловленной активации, так и в PcG-обусловленной репрессии. Генетические данные связывают zeste с trxG и PcG, и указывают на то, что он функционирует или как активаор или как репрессор в различных контекстах. Zeste-связывающие сайты обнаружены во многих PRE/TRE регионах и промоторах гомеозисных генов. Zeste связывается непосредствнно с компонентами BRM комплекса и м. поставлять комплекс для усиления транскрипции in vitro. Напротив, Zeste ко-локлизуется с Pc, Psc и Ph во многих сайтах политенных хромосом и тесно ассоциирует с PRC1. Способность Zeste мультимеризоваться и обеспечивать pairing взаимодействия между PREs на отдельных хромосомах, указывает на то, что он м.б. важным для обеспечения взаимодействий среди PRE/TREs, которые м. усиливать локальные концентрации регуляторных комплексов. 

Хотя trl (GAGA) мутации обнаруживают явный trxG фенотипы, биохимические взаимодействия между GAGA и др. trxG белками не установлены. Фактически, GAGA м. взаимодействовать PcG с комплексами in vitro, и был локализован на PRE последовательностях in vivo, многие из которых содержат GAGA-связывающие сайты. GAGA необходим для функционирования некоторых PREs, хотя мутации в GAGA сайтах обнаруживают лишь минорное влдияние на др. PREs. GAGA участвует в формировании областей, свободных от нуклеосом в промоторах hsp70 и hsp26 и м. делать это на  PREs. Нпр.,  iab7 PRE соответствует ДНКSE I-HYPERSENSITIVE SITE и его PRE функция необходима GAGA и GAGA-связывающим сайтам. Итак, потребность в PcG комплексах для некоторых PREs м. использоваться для взаимодействий с ДНК, которые облегчают GAGA-обусловленные  нуклеосомные разрывы. Возможно, что образование сайтов гиперчувствительности с помощью GAGA м. вносить свой вклад и в функцию trxG тоже.

Согласно модели, учитывающей связи между этими белками и PcG и trxG, они действуют как  'maintenance factors', которые маркируют гены как мишени для системы поддержания PcG/trxG путем привлечения комплексов обоих типов к PREs/TREs. Др. белки, или состояния хроматиновых матриц, м. предопределять какие комплексы рекрутируются или стабильно связываются с матрицей — и, следовательно, будет ли конечным результатом активация или репрессия. Эта модель согласуется также с видимым перекрыванием последовательностей с  PRE и TRE функцией (Box 2).

Maintenance through cell division

Репликация и митозы нарушают структуру хроматина и архитектуру ядра и м. вести к перепреогрммированию состояния транскриций. Более того, большинство транскрипционных регуляторов повсюду диссоциируют от хроматина во время митозов. Т.к. PcG и trxG белки экспрессируются широко, то д.б. механизмы, с помощью которых они сохраняют или восстанавливают ассоциацию только с генами-мишенями в соответ. клетках.
Три общих механизма д.б. использованы для поддержания PcG репрессии в течение всей репликации и митозов. В большинстве чрезвычайных случаев PcG комплексы м. осаваться тесно ассоцитрованными со своими матрицами. Во время репликации ДНК комплексы должны делиться приблизительно поровну между двумя нитями и использоватькооперативные взаимодействия для привлечения вновь синтезированных комплексов, тем самым восстанавливать полностью занимаемое состояние (Рис. 4a). Или только немногие белки м. оставаться ассоциированными с мтрицами, но этого м.б. достаточно для полного реформирования репрессивной структуры (Рис. 4b). Наконец,  PcG репрессивные комплексы м. диссоциировать с хроматина, но оставляют сигнал (напр., ковалентную модификацию гистонов), который потом сможет запустить восстановление репрессии (Рис. 4c). Это касается и поддержания trxG.

(Рис.4.)  |  Three models for how PcG белки might maintain contact with a gene through replication и/или mitosis.

Первая возможность м.б. решена путем мониторинга локализации белков в течение всего клеточного цикла; это сделано для Pc, Ph, Psc и Cramped (Crm). Большая часть  этих белков покидает ядро во время митоза, хотя отсутствуют доказательства их диссоциации во время S фазы. Это указывает на то, что весь PcG комплекс не остается на своих генах-мишенях в течение всего митоза, хотя индивидуальные белки м. оставаться ассоциированными с митотическим хромосомами.
Возможно, что такие белки контактируют локально и временно отрываются  во время прохождения полимеразы, но что диссоциированные  PcG комплексы остаются по соседству в течение всего взаимодействия  связанными с соседними комплексами, используя кооперативные взаимодействия для быстрого воссоединения. Вновь синтезированные комплексы должны рекрутироваться, чтобы  'subsaturated' вновь реплицировавшийся хроматин с помощью сходных кооперативных взаимодействий. Эта модель предполагает, что некоторые PcG комплексы связаны в PRE области, так что отсоединение одиночного комплекса не устраняет PcG репрессию, которая согласуется с большими размерами PREs. Кроме того, один PcG белок, Crm, ко-локализуется и взаимодействует генетически с proliferating cell nuclear antigen (PCNA), подтверждая возможность прямой связи между PcG и репликационной кухней (machinery).
Видимая диссоциация PcG комплексов от хроматина во время митоза указывает на то, что разные механизмы используются для  'маркирования' генов для реформации соотв. PcG комплексами. Простейшим механизмом м.б. быть ковалентное модифицирование ДНК; однако,  имеются доказательства лишь ограниченного метилирования у Drosophila. Скорее имеют место ковалентные модификации хроматиновых белков — возможно гистонов. Сходным образом для установления состояния молчания д.б. увеличено как количество стабильных маркеров, так  и реформаций PcG комплексов после митоза, чтобы рекапитулировать их изначальное образование с помощью PcG белков, рекрутируемых благодаря лишь PRE последовательностям к генам, маркированным для молчания.  Как и при инициальном образовании одинаково возможно, что активные гены модифицированы так, что  предотвращают сборку PcG. Имеются некоторые доказательства этому, т.к. стабильная trxG-зависимая экспрессия генов коррелирует с гиперацетилированием в трансгенных моделях PRE/TRE функции (Box 2). Получены четкие доказательства стабильных, наследуемых меток для PcG-обусловленной репрессии, которые м. персистировать, по крайней мере, в течение нескольких поколений на генах, которые были дерепрессированы. Было найдено, что  эктопическая экспрессия гомеозисных генов, вызываемая удалением Psc и его гомолога Su(z)2, м.б. ревертирована при добавлении этих белков в течение нескольких клеточных генераций.
Maintenance of an active state. Для этого необходимо или чтобы транскрипционный комплекс оставался ассоциированным в течение всего митоза или чтобы он мог ре-ассоциировать с транскрибируемыми генами. Поддержание активного состояния д. использовать общие механизмы для ре-инициации  транскрипции после митозов, для чего м. использоваться сохранение всего или части транскрипционного комплекса. В этом случае только временная помощь м. понадобиться от trxG комплексов. Если основное состояние является пермиссивным для транскрипции, то активное поддержание м. не понадобиться, а необходимо будет только исключение репрессоров, таких как PcG. Генетические доказательства того, что PcG мутации не м. супрессировать trxG мутации (такие как потеяря функции brm) подтверждают, что поддержание в 'on' состоянии нуждается в активной поддержке помимо исключения PcG-обусловленной репрессии.
В клетках млекопитающихся SWI/SNF комплекся инактивированы и диссоциированы от хроматина во время митозов, так что они вряд ли непосредственно маркируют матрицы. Напротив, специфическая роль SWI/SNF дрожжей заключается в транскрипционной регуляции генов в конденсированном хроматине во время M -> G1 перехода. Предполагается, что ре-ассоциация hSWI/SNF с небольшим числом генов во время телофазы м.б. важным для их активации при выходе из митоза. Если гены, направленные с помощью SWI/SNF позднее в митозе включают trxG-регулируемые гены, то эта активность д. вносить свой вклад в воссоздание активного состояния после митоза.

Model for maintenance by PcG и trxG

Итак, центром модели является рассмотрение модификаций хроматиновой структуры на трех уровнях: модификации гистонов; позиционирование и ремоделирование нуклеосом; и высшего порядка хроматиновые структуры, возникающие в результате межнуклеосомных взаимодействий.
Первая гипотеза - активные и неактивные егены  имеют разные структуры хроматина, что и является ключевым детерминантом будут ли стабильно ассоциированны с геном PcG или trxG комплексы. Эта гипотеза м. объяснить направление PcG-обусловленной репрессии только к транскрипционно молчащим генам и перекрывание PREs и TREs. Активное и неактивное состояние ассоциируют с разными гистоновыми модификациями, конфигурациями нуклеосом и хроматина и с разными ассоциированными белками (Рис.2.) PREs и TREs, по-видимому, распознаются через сиквенс-специфические ДНК-связывающие факторы  ('maintenance factors'; Табл.2), которые поставляются илиPcG или trxG комплесами (или обоими), в зависимости от контекста хроматина. <вшм>Вторая гипотеза -  PcG и trxG используют несколько механизмов для модуляции структуры хроматина  на нескольких уровнях  для образования репрессированного или активированного состояния хроматина. Хроматин-модифицирующие активности часто действуют вместе, чтобы регулировать экспрессию генов, а модификации на разных уровнях м. действовать синергично, чтобы стабилизировать или прервать взаимодействия между нуклеосомами.  Как PcG так и trxG кодируют множество комплексов, которые, как ожидается, обладают разными активностями, которые м. модифицировать матрицы или ковалентно (напр., ацетилирование или деацетилирование) или нековалентно (напр., ATФ-зависимое ремоделирование) и м. также контактировать с транскрипционной кухней. Одиночные нуклеосомы являются строительными блоками для структуры хроматина, а нуклеосомные структуры, возникающие в результате комбинированного действия разных комплексов, будут давать структуры высшего порядка, стимулирующие или несовместимые с транскрипцией. <вшм>Наконец, третья гипотеза - модификации хроматиновых структур  на уровне одиночных нуклеосом д.б. функцией наследуемых маркеров для управления воссозданием PcG или trxG комплексов. Ковалентные модификации гистонов - и возможно конформационные изменения нуклеосом - м. хранить 'память' об активации или репрессии. PcG или trxG комплексы м. использовать эти сигналы совместно с взаимодействиями  с факторами поддержания, которые м. поддерживаить и ассоциацию с матрицами,  чтобы восстановить после окончания деления  исходное состояние как бы заново. Итак, сигналы м. просто отражать состояние транскрипции - такое, которое было перед инициальным установлением PcG или trxG. Альтернативно или дополнительно PcG и trxG м. создавать свои собственные наборы структурных изменений, которые кодируют репрессию или активацию.


Сайт создан в системе uCoz