Специфичная для типа клеток экспрессия генов базируется на аккуратном пространственном и временном контроле транскрипции. Тысячи энхансеров вносят вклад в осуществление программ специфической экспрессии генов. Активность ключевых генов критическая для становления типов клеток управляется небольшой фракцией регуляторных элементов, состоящих из кластеров энхансеров, обозначаемых как удлиненные (stretch) энхансеры или суперэнхансеры (SEs) (Hnisz et al. 2013; Parker et al. 2013). На функцию энхансеров влияет их топологическая организация в геноме, которая оказывается основным регулятором поддержания специфичной для типа клеток экспрессии генов (Cavalli and Misteli 2013; Heinz et al. 2015). Поскольку точные механизмы, лежащие в основе организации генома, не исследуются в отношении крупномасштабной пространственно архитектуры хромосом, которая частично базируется на взаимодействиях с ядерной оболочкой (NE) (Mekhail and Moazed 2010; Van de Vosse et al. 2011). Компоненты NE и комплексов ядерных пор (NPCs) ассоциируют с геномом, чтобы влиять на его организацию и экспрессию генов (Van de Vosse et al. 2011). Однако, потенциальный вклад компонентов NE на регуляцию программ специфичной для типа клеток транскрипции всё ещё плохо изучен.

Двойной липидный бислой NE состоит из наружной ядерной мембраны (ONM) и внутренней ядерной мембраны (INM) перфорирован множественными сайтами NPCs. Изображения высокого разрешения периферии ядра нескольких типов клеток человека показали, что под NE в основном присутствует гетерохроматин, за исключением NPCs (Capelson and Hetzer 2009). В соответствии с этими наблюдениями, ламины, сеть из промежуточных филамент, которые лежат в основе NE, взаимодействуют с крупными транскрипционно репрессированными регионами генома по периферии ядра, с lamina-associated domains (LADs) (Guelen et al. 2008). Напротив, геномные регионы NPCs, по-видимому, в основном лишены гетерохроматина в клетках человека (Capelson and Hetzer 2009). Каждый NPC состоит из нескольких копий из ~30 разных субъединиц, наз. nucleoporins (Nups). Структурно NPC подразделяется на внедренный в NE каркас, представленный Nup93-Nup205 и Nup96-Nup107 субкомплексами, и две периферические структуры, цитоплазматические филаменты и ядерную корзинку (basket). Последняя проникает внутрь ядра и состоит из Nup153 и Tpr (D'Angelo and Hetzer 2008). В дополнение хорошо охарактеризованной роли NPCs в регуляции транспорта макромолекул между цитоплазмой и ядром, исследования в основном на дрожжах и Drosophila выявили, что компоненты NPC ассоциируют со специфическими регионами генома, регулируя позитивно или негативно транскрипционную активность генов мишеней (rev. Ibarra and Hetzer 2015). Поскольку большинство взаимодействий Nup-геном у дрожжей происходит на NPC, у метазоа, то динамика Nups также может экстенсивно взаимодействовать с геномом помимо NPC (Capelson et al. 2010; Kalverda et al. 2010). В клетках человека, характеристика взаимодействий Nup-геном находится лишь вначале (Brown et al. 2008); несмотря на это, значение Nups в регуляции функций генома подтверждается мутациями компонентов NPC, которые приводят к ряду ткане-специфических патологий (Capelson and Hetzer 2009; Nofrini et al. 2016). Предполагается, что Nup участвуют в регуляции экспрессии генов и это может лежать в основе их участия в ткане-специфических нарушениях (Raices and D'Angelo 2012). Однако, действительно ли Nups могут распознавать и регулировать экспрессию специфичных для типа клеток генов в клетках человка, остается неясным.

Наши результаты показывают, что NE действует как платформа для регуляции функций генома в клетках человека. В противоположность ландшафту репрессивного хроматина LADs, NPCs поддерживают активность окружения, необходимого для транскрипции. Предыдущие попытки картировать взаимодействия Nup-геном в дифференцированных клетках человека, пока неполные, подтвердили мнение о контекст-зависимой ассоциации компонентов NPC с транскрипционно активными и репрессированными регионами (Brown et al. 2008; Liang et al. 2013). В соответствии с нашими наблюдениями, недавние исследования человеческих CD4+ T клеток позволили предположить, что HIV интеграция происходит на предполагаемых NPC местах взаимодействия, которые являются транскрипционно активными регионами, располагающимися на периферии ядра и исключены из LADs (Marini et al. 2015). Наши результаты также согласуются с паттернами организации хроматина, наблюдаемыми в дифференцированных клетках человека (Capelson and Hetzer 2009) и предоставляют генетические и молекулярные детали такой организации.

Субнабор компонентов NPC у метазоа, динамика Nups, обмены между NPC и нуклеоплазмой (Rabut et al. Соотв., Nup153 может взаимодействовать с геномом как на NPC, так и вне его в клетках от Drosophila до мышей (Vaquerizas et al. 2010; Jacinto et al. 2015). Остается неясным, действительно ли взаимодействия Nup-геном, которые происходят вне NPC являются функционально отличными от тех, что ассоциированы с NPC. Наши результаты на клетках человека показали, что Nup-ассоциированные SEs обнаруживают преимущественную локализацию с периферией ядра, где NPCs могут предоставлять крупные и стабильные платформы, чтобы аккуратно регулировать экспрессию ключевых с SE-ассоциированных генов. Однако, дополнительные взаимодействия между Nups и SEs могут существовать внутри ядра, которые были упущены из-за технических и аналитических ограничений. Напр., поскольку DamID базируется на очень низких уровнях экспрессии Dam слитых белков (Guelen et al. 2008), уровни метилирования вокруг NPCs, где скапливаются многочисленные копии Nups, могут оказаться более выраженными по сравнению с динамическими пулами. Тем не менее, периферическая локализация субнаборов SEs указывает на то, что характеристики неканонических энхансеров, в частности их ассоциация со свойствами ядерного ландшафта, может вносить вклад в возникшее определение SEs (Pott and Lieb 2015).

Мутации, затрагивающие компоненты NE и NPC лежат в основе ряда ткане-специфичных нарушений и врожденных патологий (Capelson and Hetzer 2009; Worman et al. 2010; Raices and D'Angelo 2012). Кроме того, компоненты NPC участвуют в клеточной дифференцировке и поддержании клеточных особенностей (D'Angelo et al. 2012; Buchwalter et al. 2014; Jacinto et al. 2015).

Было показано, что компоненты NPC, Nup93 иd Nup153 соединяются с SE, регуляторными структурами, которые управляют экспрессией ключевых генов, что обеспечивают качественные особенности клеток. Было установлено, что с нуклеопоринами ассоциированные SEs располагаются преимущественно на периферии ядра, а отсутствие Nup153 и Nup93 приводит к драматическим изменениям транскрипции ассоциированных с SE генов. Выявлена критическая роль компонентов NPC в регуляции специфичных для типа клеток генов и подчеркнуто, что архитектура ядра может служить регуляторным слоем геномных функций при выборе клеточных судеб.

Т.о., наши результаты подтверждают модель, согласно которой функции Nup участвуют в регуляции экспрессии генов, подчеркивая их участие в возникновении ткане-специфичных нарушений и поддержании клеточных характеристик (Supplemental Fig. S7). Соотв., Nup98 взаимодействует с клон-специфическими генами в клетках нейральных предшественников (Liang et al. 2013) и в эмбриональных стволовых клеток мышей (mESCs), истощение Nup153 приводит к изменениям экспрессии гетерогенных генов, что приводит к потере плюрипотентности (Jacinto et al. 2015). Интересно, что в mESCs, Nup153 регулирует субнабор генов путем взаимодействия с белками группы Polycomb (PRC1), которые способствуют преимущественно молчанию генов, но также и активации генов (Aranda et al. 2015; Jacinto et al. 2015). Кроме того, Nup153, как было установлено, взаимодействует с гистоновыми ацетилтрансферазами, такими как p300/CBP, ответственными за большую часть ацетилирования H3K27 и обнаруживаемыми в высоких концентрациях в SEs (Kasper et al. 1999; Vahedi et al. 2015), это д. облегчать взаимодействие Nup-SE. Интересно, что домены Polycomb и SE обнаруживают сходство топологической организации, которые служат для выделения этих регионов (Dowen et al. 2014). Поскольку компоненты NPC обладают активностью инсуляторов и регулируют дально-действующие взаимодействия хроматина у дрожжей (Ishii et al. 2002; Tan-Wong et al. 2009), то можно предположить, что структурная роль Nups в организации хромосом может влиять на аккуратность транскрипционной активности в доменах SE и Polycomb.

Итак, полученные результаты подчеркивают ключевую функцию Nups в регуляции специфичной для типа клеток экспрессии генов и предполагают выдающуюся роль компонентов NE в регуляции функций генома во время спецификации клеточных судеб и при болезнях.