Посещений: 
ЦЕНТРОМЕРРЫЙ ДРАЙВ
Контроль центромерами распределения хромосом между дочернми клетками
Barbara G. Mellone Centromeres Drive a Hard Bargain
" Trenfs in Genet/ Volume 33, Issue 2, p101-117, February 2017
| |
|
Phylogenetic Relationships of Known CENP-A Assembly Factors. Yellow circles represent taxa with Scm3/HJURP homologs. Blue circles indicate the birth of a novel CENP-A chaperone. The taxa lacking circles have no known CENP-A chaperone, while taxa in gray have yet to be examined.
Центромеры являются важными структурами хромосом, которые обеспечивают аккуратное распределение генетического материала во время мейотических и митотических делений. У большинства организмов центромеры являются эпигенетически специфицированными и накапливают с помощью нуклеосом содержащийся в них специфичный для центромер H3 вариант центромерного белка A (CENP-A). Хотя центромеры осуществляют критическую и консервативную функцию, CENP-A и подлежащая центромерная ДНК быстро эволюционируют. Этот парадокс объясняется с помощью гипотезы управления центромерами, согласно которой CENP-A подвергается эволюционной решительной схватке с эгоистичной центромерной ДНК.
Количества центромерных и кинетохорных белков, рекрутируемых на одну центромеру, влияют на её склонность быть переданной посредством зародышевой линии самок у мышей. Однако, неизвестно, действительно ли CENP-A может регулировать вероятность передачи центромеры за счет моделирования его предпочтений связывания с определенными последовательностями ДНК.
Неспособность субнабора ортологов CENP-A от др. видов локализоваться на центромерах в клетках Drosophila melanogaster может быть объяснена несовместимостью с CENP-A шапероном CAL1 скорее, чем с центромерной ДНК. Взаимодействие между CAL1 и CENP-A является гибким, но быстрая эволюция CENP-A у мух привела к видо-специфичной ко-эволюции CAL1, чтобы поддерживать качественны особенности центромер.
Epigenetic Specification of Centromeres
Центромеры диктуют позицию, где собираются кинетохоры, наномашины, обеспечивающие транспорт к полюсам хромосом во время деления [1]. Хотя функционирование центромер сильно законсервировано, но существует достоверная изменчивость у организмов относительно последовательностей центромерной ДНК и используемых центромерных белков [2]. Центромерная ДНК варьирует существенно между видами от небольших генетически определенных в 125 пар оснований (bp) 'точечных' центромер у Saccharomyces cerevisiae [3-9], до крупных 'региональных' центромер у более сложных эукариот, достигающих размера в несколько megabases [7].
Несмотря на различия в размерах, региональные центромеры моноцентричных (т.e., обладающих одной центромерой на хромосому) растений, насекомых и млекопитающих обычно состоят из множества богатых нуклеотидами A/T (иногда G/C) массивов, известных как сателлиты, которые перемежаются с более сложными ДНК, такими как мобильные элементы [10-16]. Сателлитные повторы обнаруживаются не только внутри сердцевины центромеры, но и также в перицентрическом гетерохроматине [17]. Альтернативная конфигурация центромер обнаруживается у некоторых видов нематод, насекомых и растений, содержащих центромеры, разбросанные по всей длине хромосомы (т.e., holocentric [1]).
Появление неоцентромер (see Glossary) у людей, кур, мух и грибов [18-22], и довольно высокий показатель эволюционно новых центромер у лошадей, приматов и растений [23-25] демонстрирует, что новые центромеры могут формироваться на нецентромерной ДНК, указывая, что специфические последовательности центромерной ДНК не обязательны для функционирования центромер [8, 26, 27].
Интересно, что эволюционно новые центромеры быстро накапливают сателлитные повторы позднее в эволюции [28, 29]. Механизмы накопления сателлитов и преимущества, которые эти последовательности предоставляют для функционирования центромер, неизвестны, но наблюдение, что неоцентромеры обладают несовершенными механизмами коррекции ошибок, открывает возможность, что наследуемые свойства центромерной ДНК являются критическими для оптимальной функции центромер [30]. Вообще-то накопление сателлитов позволяет новым центромерам сохраняться в ходе эволюции.
Помимо необязательности для формирования функциональных центромер, центромерные сателлиты также недостаточны для образования центромер. Напр., дицентрические хромосомы содержат два региона центромерных ДНК, но только один обладает центромерной активностью [31]. Сходным образом, субнабор человеческих неоцентромер был идентифицирован в общем-то на интактных хромосомах, обладающих инактивированной эндогенной центромерой [24]. Как такие центромеры становятся инактивированными остается неясным, но этот процесс может использовать гетерохроматинизацию одной из двух центромер [31-33].
Поскольку функциональный вклад центромерных повторов в активность центромер остается неясным, то присутствие гистонового варианта H3 центромерного белка A (CENP-A; известен также как CenH3) [34, 35] в качестве характерной метки активных центромер является почти универсальным [36], это строго подтверждает эпигенетическую модель детерминации центромер [26]. Исключением являются kinetoplastids [36] и голоцентрические насекомые [37], которые, как было установлено, обладают независимыми от CENP-A механизмами формирования кинетохор.
Неоцентромеры, лишены элементов центромерной ДНК , но всё-твки содержат CENP-A [22]. Напротив, неактивные центромеры на дицентрических хромосомах не содержат CENP-A [38-42]. Более того, присутствие CENP-A достаточно для активности центромеры у мух и человека, поскольку неправильно содержащие CENP-A могут давать начало (nucleate) функциональные кинетохоры, приводя к тяжелым митотическим ошибкам [43-45].
Хотя CENP-A может ассоциировать с нецентромерной ДНК in vivo и не обнаруживает предпочтения к человеческой α-сателлитной ДНК in vitro [24, 31], α-сателлитные повторы эффективно привлекательны для de novo сборки CENP-A , когда вводятся в человеческие HT1080 клетки[46]. Сходным образом, у Schizosaccharomyces pombe, плазмиды, обладающие большой порцией центромеры, могут митотически наследоваться [47]. Т.о., некоторые наследуемые свойства центромерной ДНК, такие как её транскрипционный потенциал или присутствие ДНК -связывающих мотивов для центромерных белков (напр., CENP-B boxes у людей), могут быть оптимальными для сборки CENP-A хроматина (rev. [48]).
Centromeric Deposition and Structural Properties of CENP-A
У большинства организмов CENP-A откладывается независимым от репликации ДНК способом [49, 50], в отличие от канонического гистонаH3 [51]. Во время репликации ДНК общее количество центромерного CENP-A снижается наполовину [52, 53], при этом гистоны H3.1 и H3.3 оказываются включенными в центромеры в качестве временного замещения [54]. Чтобы снова пополнить хроматин CENP-A и сохранить позицию центромеры в ходе клеточного деления, новые CENP-A д. быть отложены в ходе каждого клеточного цикла. Время загрузки новых CENP-A выявлено для многих организмов. У делящихся дрожжей новые CENP-A могут включаться в центромеры во время S фазы и G2 [55, 56]. У мух накопление CENP-A происходит между метафазой и G1, в зависимости от типа ткани [53, 57, 58]. У людей CENP-A откладывается во время телофазы и ранней G1 фазы [52], а у растений отложения CENP-A происходят в основном во время G2 [59].
Поскольку специфические механизмы, с помощью которых CENP-A нуклеосомы замещают гистоновых H3 заместителей, всё ещё неясны, исследования подтверждают, что транскрипция подлежащей центромерной ДНК участвует в подобном замещении (rev. [48]).
Отложение CENP-A нуждается в CENP-A-специфических гистоновых шаперонах (или факторах сборки CENP-A) [60-63]. CENP-A шапероны общего происхождения были идентифицированы в клонах дрожжей и человека (наз. Scm3 и HJURP, соотв.; [64]). Однако, Drosophila использует эволюционно отличающийся фактор сборки CENP-A наз. CAL1 [63], и пока не было идентифицировано предполагаемых шаперонов у растений, нематод и др. артропод (Figure 1) [64].
C-терминальный histone-fold domain (HFD) в CENP-A является существенным для локализации CENP-A на центромере [65, 66], в то время как N-терминальный хвост не нужен для локализации в митотически делящихся клетках [67-69]. У дрожжей и человека регион, необходимый для целенаправленного действия CENP-A может быть сужен ещё больше до домена, соотв. loop 1 (L1) и alpha 2 спирали (α2) в HFD, известном как CENP-A targeting domain (CATD) [68, 70]. Химера из канонического гистона H3, содержащего CATD из CENP-A (H3-CATD) локализуется на центромере дрожжей и человека [70, 71]. CATD является областью CENP-A, которая специфически распознается с помощью шаперовнов семейства HJURP/Scm3 (rev. [2]). Однако, эта область недостаточна, чтобы обеспечить локализацию на центромере H3 у Drosophila или Arabidopsis [72,73], даже если у Drosophila L1 является важным для целенаправленного воздействия на CENP-A [69]. Кроме того, CENP-A N-терминальный хвост, как было установлено, является критическим для становления центромеры у почкующихся дрожжей, для долговременного распространения и функции центромер у делящихся дрожжей и клеток человека [71, 74], и для плодовитости у растений [73].
CENP-C и CENP-N, ассоциированные с центромерами белки, которые являются частью постоянной ассоциированной с центромерой сети у позвоночных, распознают ключевые структурные свойства CENP-A нуклеосом и обеспечивают связь между центромерным хроматином и наружной кинетохорой (rev. [2]).
Centromeric Sequences Evolve Rapidly
Поскольку специфические центромерные последовательности ДНК не важны для функции центромеры у большинства видов, то разумно предположить, что эти последовательности не являются эволюционным следствием. В соответствии с этим центромеры содержат наиболее быстро эволюционирующие последовательности ДНК в геномах эукариот [75, 76]. Неравный кроссинговер во время мейоза I, относительное смещение нитей во время репликации ДНК и благодаря этому возникают вариации содержания в первичной последовательности ДНК и размера повторяющихся массивов [77, 78].
Хотя существует немного примеров законсервированных центромерных последовательностей, такой как CENP-B boxes у мышей и человека [79] и родственных CentO и CentC сателлитных повторов у риса и кукурузы [80], филогенетический анализ кандидатов на роль центромерных повторов от 282 видов растений и животных показал очень незначительную гомологию последовательностей в течение 50 миллионов лет расхождения [16]. Даже у близко родственных видов обилие и точные последовательности специфических центромерных сателлитов могут варьировать. Напр., у Drosophila melanogaster, dodeca сателлит (известен также как Sat 6) присутствует в центромере хромосомы 3. Однако, у родственного вида Drosophila simulans, dodeca присутствует на центромере хромосом 2 и 3 [81]. Сходным образом, Sat III (359-bp повторов) занимает большую часть проксимального региона центромеры Х=хромосомы D. melanogaster, тогда как полностью отсутствует в геноме D. simulans [82].т
Т.о., в то время как регион центромеры сам по себе важен и для функции центромеры, он законсервирован у разных видов, но дивергенция центромерных последовательностей внутри и между видами ещё больше подтверждает эпигенетическую модель спецификации центромер. Однако, растут доказательства, подчеркивающие потенциальное участие происходящих с центромер РНК т специфических свойств центромерной ДНК для функции центромер, подчеркивая значение генетического компонента в детерминации центромер (rev. [2]).
Rapid Evolution of CENP-A
CENP-A необходим для функции центромер у всех организмов, содержащих его, и , как было установлено, достаточен для образования центромер у мух и людей (rev.[43-45]). Однако, подобно центромерной ДНК, центромерные белки, в частности CENP-A, быстро эволюционируют [83-87]. Принимая во внимание важную роль CENP-A в функционировании центромер, быстрая эволюция CENP-A парадоксальна [88]. Дивергенция между CENP-A ортологами удаленно родственных видов удивительна, это приводит к гипотезе, что CENP-A мог возникать несколько раз в ходе эволюции [89].
HFD (Figure 2A) в CENP-A находится под действием положительного отбора в разных ветвях, включая растения, мух, нематод и приматов [83-87, 90]. У CENP-A N-терминальный хвост (Figure 2A) полностью не законсервирован между таксонами и различается даже у близко родственных видов (Figure 2B) [83, 86, 8
У Drosophila, N-терминальный хвост и HFD в CENP-A, как было установлено, испытывают действие положительного отбора (Figure 2B) [83, 85]. Несмотря на тот факт, что Drosophila CENP-A эволюционирует быстро, его фактор сборки, CAL1, эволюционирует медленно в своих обоих критических доменах: регионе, который взаимодействует с CENP-A (N-конец) и в регионе, который взаимодействует с CENP-C (C-terminus) [91, 92].
Быстрая эволюция N-терминального хвоста CENP-A, как была установлена у разных видов, включая monkeyflower растения (Box 2), percid рыб и Caenorhabditis [90, 93, 94]. У Brassicaceae растений, которые включают Arabidopsis thaliana и у нематод Caenorhabditis, CENP-A быстро эволюционирует также внутри L1 [90, 95]. Напротив, CENP-A ортологи у грызунов и у трав находятся под действие негативного отбора в регионе HFD и N-терминального хвоста [95].
В то время как инициальный анализ CENP-A не выявил доказательств положительного отбора у человека и шимпанзе [95], более тщательное исследование CENP-A 16 видов приматов выявило 12 остатков по всей длине белка, которые быстро эволюционировали [86]. Половина идентифицированных остатков находится в HFD, ни одного в L1, а остальные попадают на N-терминальный хвост [86]. Однако, эволюционные изменения в генах приматов могут быть занижены из-за небольшого размера выборки, а также из-за продолжительного времени воспроизведения у этих видов.
The Centromere Drive Hypothesis
Быстрая эволюция центромерной ДНК и CENP-A (и др. центромерных белков) привела к предположению, что эти два компонента эволюционируют благодаря генетическому конфликту, согласно гипотезе, известной как 'centromere drive' [96, 97].
В то время как мейоз симметричен у самцов, дающий 4 гаметы, у большинства растений и животных, самки подвергаются асимметричному мейозу, когда только один из 4-х мейотических продуктов выживает и развивается в ооцит, тогда как остальные три попадают в полярные тельца или дегенерируют. Такая асимметрия может приводить к конкуренции между гомологичными хромосомами за включение в ооцит (феномен известный как meiotic drive) [98].
Согласно гипотезе centromere-drive, центромерная ДНК действует как эгоистичный (selfish) генетический элемент, использующий асимметрию мейоза у самок, чтобы способствовать своей передаче в яйцо. Экспансия центромер (напр., за счет неравного кроссинговера или транспозиции мобильных элементов ДНК) д. приводить к возникновению более крупных центромер, способных, привлекать больше кинетохорных белков и микротрубочек. Такая асимметрия между двумя гомологичными центромерами в комбинации с функциональной асимметрией полюсов веретена в яйце, кторая детерминирует клеточную судьбу, может приводить к более частой передаче одой хромосомы по сравнению с гомологом, что позволяет ей проходить через популяцию вместе с возможными hitchhiking вредными мутациями [99-101].
Centromere drive, как полагают, может возникнуть только у монцентрических организмов, поскольку голоцентрические организмы содержат CENP-A нуклеосомы, разбросанные по всему геному, при этом нет определенного центромерного сателлита, способного управлять своей собственной трансмиссией. В согласии с этим представлением, CENP-A ортологи от голоцентрических растений из рода Luzula не находятся по давлением положительного отбора, подтверждая, что holocentrism позволяет избегать centromere drive [102]. Др. предсказанием этой модели является то, что clades с симметричным мейозом, такие как грибы, д. обнаруживать более низку частоту адаптивной эволюции CENP-A, чем те, что асимметричным мейозом, и это в самом деле так [101]. Необъяснимо, CENP-A от Caenorhabditis elegans is быстро эволюционирует, хотя эти голоцентрические нематоды не нуждаются в CENP-A для мейотических делений ооцитов [103].
Согласно гипотезе centromere-drive, центромеры и сцепленные с центромерами локусы могут действовать как драйверы во время мейоза у самок. Напр., Robertsonian слияния (Rb) расходятся неслучайным образом у мышей, человека и кур [104-106]. У человека и кур Robertsonian слияния передаются предпочтительно [104-106], тогда как у мышей величина передачи зависит от кариотипа вида мышей [107]. Важно, что у мышей такое предпочтительное расхождение, как было установлено экспериментально, коррелирует с 'strength' центромеры (т.e., с относительным количеством рекрутируемых на кинетохору белков и прикреплениями микротрубочек; Box 1) [107]. Более того, у цветов monkeyflowers, хромосомы, содержащие локус D, который, как полагают, посредством удвоения центромерного региона, передается с более высокой частотой (Box 2) [108].
Box 1
Nonrandom Transmission of Robertsonian Fusions Supports Centromere Drive
Box 2
Distorter Locus at Centromeres Drives Segregation in Monkeyflowers
В мейозе самок центромерный не оказывает влияния на плодовитость. Напротив, в мейозе самцов дисбаланс "силы" центромер д. приводить к усилению нерасхождения и остановке мейоза, приводя или к снижению плодовитости или к стерильности [109]. Снижение плодовитости у самцов, в самом деле, наблюдается у людей и мышей с Rb слияниями [104, 105, 110]. У мышей эти слияния вызывают анеуплоидию, неправильное расположение хромосом и апоптоз в сперматоцитах [111], в соответствии с дефектами, связанными с дисбалансом центромер. Однако, др. исследование описывает задержку спаривания хромосом и генетическую несовместимость в качестве причины бесплодия [110]. As for Как и в случае D локуса у monkeyflowers, гетерозиготные Dd растения имеют нормальные количества пыльцы, тогда как у гомозиготных растений количество пыльцы снижено (Box 2), что, скорее всего, обусловлено плейотропным эффектом мейотического спаривания или hitchhiking вредоносного аллеля [108]. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы понять, вызывает ли дисбаланс центромер бесплодие у самцов, несущих Rb хромосомы.
Согласно модели centromere drive, если дисбаланс центромер является вредным у самцов, то мутации, способные восстанавливать мейотическое равенство (parity) будут быстро отбираться. Предсказания, базирующиеся на структурных свойствах H3 нуклеосом подтверждают, что N-конец CENP-A и L1 осуществляют непосредственный контакт с ДНК, в результате возникает возможность, что изменчивость внутри этих регионов может влиять на сродство связывания гистон/ДНК. Такое дифференциальное сродство, как полагают, управляет тем, сколько CENP-A будет рекрутировано на определенную последовательность ДНК, модулируя в свою очередь размер кинетохоры и количество присоединившихся микротрубочек. Итак, эти размышления приводят к предположению, что быстрые изменения в L1 или на N конце Drosophila CENP-A могут фиксироваться, поскольку они супрессируют centromere drive путем устранения дисбаланса центромер (Figure 3A , Key Figure; [97, 109]).
Models of How CENP-A Could Suppress Centromere Drive
Какого типа аллели CENP-A м. устранять centromere drive? Только аллели CENP-A, обнаруживающие строго сродство к слабым центромерам или низкое сродство к увеличенным центромерам, как полагают, будут фиксированы [109]. Однако, один аспект этой модели, пока еще не имеющий достаточно доводов, заключается в том, что изменения внутри CENP-A, которые снижают его соединение с центромерными сателлитами, одинаковые между обеими центромерами, не будут восстанавливать паритет, и аллели с повреждениями связывания CENP-A's со всеми центромерами будут по-разному влиять на аккуратность расхождения хромосом и будут элиминироваться из популяции. Т.о., потенциал определенного аллеля CENP-A супрессировать центромерный drive и фиксироваться заключается в его способности влиять на трансмиссию одной специфической центромеры, но не др. В случае экспансии центромеры посредством отложения мобильных элементов, которые д. будут привлекать новые последовательности ДНК в существующую центромеру, супрессия центромерного drive будет сопровождаться изменениями внутри CENP-A со слабым сродством к новой ДНК (Figure 3BI). Напротив, мутации в белках, ассоциированных с гетерохроматином, которые усиливают связь с новыми сателлитами, будут ставить вне конкуренции CENP-A из расширенных центромер, которые будут также действовать как супрессоры [109].
Однако, в случае событий экспансии центромеры, вызываемых неравным кроссинговером, который приводит к тому, что одна хромосома получает удвоенную последовательность, а гомологичная хромосома будет иметь эквивалентную делецию последовательности, то применительно к модели centromere-drive довольно трудно представить, то произойдет. В этих обстоятельствах или расширенная центромера с дупликацией, или меньшая центромера с делецией должны будут содержать отличающиеся элементы ДНК, на которые может действовать отбор, чтобы восстанавливать баланс центромер. Напр., может существовать отбор по CENP-A мутациям, которые способствуют определенному набору размеров или паттерна, приводя к предпочтению одной центромеры перед др. (Figure 3BII). В соответствии с этой возможностью находится наблюдение, что соединение CENP-A с вариантами высокого порядка размера и последовательностей повторов в хромосоме 17 человека приводят к дифференциальной функциональности центромеры [112].
Важно, действительно ли любая ситуация (Figure 3BI,BII), модулирования соединения CENP-A будет также сопровождаться появлением аллелей CENP-A, которые каким-то образом будут мерять отложение CENP-A's с помощью своих шаперонов [113].
Существует множество биологических доказательств в подтверждение driving потенциала центромер [104, 107, 108, 114] и быстрой эволюции CENP-A и центромерной ДНК [16, 115], причинные взаимоотношения между этими биологическими проявлениями ещё предстоит продемонстрировать. Разные последовательности ДНК могут обладать разными свободными энергиями для сборки канонических нуклеосом [116]. Более того, взаимодействие L1-DNA может выстраивать энергетический барьер во время сборки нуклеосом. Принимая во внимание, что множественные последовательности ДНК конкурируют за образование нуклеосом во время сборки хроматина, такой энергетический барьер может приводить к существенному предпочтению одной последовательности ДНК перед др. [69]. Однако, трудно примирить такое предпочтительное связывание ДНК с CENP-A, принимая во внимание, что центромеры детерминируются эпигенетически, это означает, что CENP-A хроматин сможет формироваться во многих разных геномных местах [26, 117]. Более того, биохимические доказательства того, что CENP-A обнаруживает предпочтение к определенным последовательностям ДНК, отсутствуют.
Тесты in vivo на растениях и Drosophila предоставили некоторую информацию о способности дивергентных CENP-A белков соединяться с гетерологичными центромерами, это делает предпочтения CENP-A к связыванию ДНК правомочными до определенной степени.
Tests for CENP-A Localization at Heterologous Centromeres Reveal Divergence in the CENP-A Deposition Machinery
Гипотеза centromere-drive предсказывает, что эволюционно различающиеся ортологи CENP-A могут обладать разными предпочтениями к центромерным сателлитам. Подтверждением такого дифференциального связывания получены в исследованиях экспрессии гетерологических и химерных CENP-A у Drosophila. CENP-A от Drosophila bipectinata (bip), которая дивергировала от D. melanogaster (mel) только приблизительно 12 миллионов лет тому назад (mya), не способен локализоваться на центромерах, если временно экспрессируется в клетках mel Kc (Figure 4A,B) . Установлено, что ключевое аминокислотное изменение в L1 из bip CENP-A предупреждает bip CENP-A от локализации на mel центросомах (Figure 4C).
Несмотря на описанную адаптивную эволюцию CENP-A у разных видов, несовместимость между гетерологическими CENP-A и центромерами не наблюдалась помимо Drosophila. Когда был использован метод комплементации CENP-A у растения A. thaliana, непомеченные ортологи CENP-A от близко родственного вида, такого как Arabidopsis arenosa (разошедшихся приблизительно 5 mya [118]), а также более удаленного Brassica rapa (~ 25 mya разошедшихся), и даже у очень уделенного Zea mays (дивергенция почти в 200 mya [119]) , то была установлена возможность функционального замещения CENP-A у A. thaliana [120]. Хотя такой метод комплементации отличается от экспериментов с гетерологичными CENP-A белками, экспрессирующимися в присутствии эндогенного CENP-A белка (напр., [69]), полученные данные демонстрируют, что даже CENP-A ортологи от очень удаленных растений (т.e., monocots и dicots) могут целенаправленно воздействовать на центромеры A. thaliana в митозе и мейозе. Несмотря на это эти растения обнаруживают нарушения сегрегации хромосом и элиминацию генома у их потомков, когда скрещиваются растения дикого типа, подтверждая существование критических видо-специфических адаптаций в CENP-A [120].
В целом эти данные показывают, что если аминокислотные изменения в CENP-A и в самом деле модулируют их сродство к определенным последовательностям центромерной ДНК, то это проявляется у мух, но не у растений, даже если L1 адаптивно эволюционирует в обоих ветвях. Однако, некоторые дополнительные взаимодействия могут быть ответственны за несовместимость CENP-A с центромерами у Drosophila.
The Presence of Species-Matched CENP-A and CAL1 Allows CENP-A Deposition at Heterologous Centromeres
Неспособность bip CENP-A располагаться на центромерах mel была приписана расхождениям между CENP-A и центромерной ДНК. В частности, было предположено, что L1 может обеспечивать целенаправленное воздействие (CENP-A:H4)2 тетрамеров за счет предпочтительного связывания с определенными ДНК. Согласно данной интерпретации, если разные последовательности конкурируют за связывание CENP-A, даже легкие энергетически преимущественные взаимодействия будут, по-видимому, управлять фиксацией изменений в популяции [69].
Однако, недавнее исследование показало, что нарушения центромерной локализации bipCENP-A в клетках mel могут быть устранены путем внесения species-matched фактора сборки, bip CAL1, демонстрируя существование несовместимости между bip CENP-A и mel CAL1, которая предупреждает отложение bip CENP-A на центромерах mel (Figure 4D). Эта работа показала, что присутствие эволюционно совместимого CAL1 партнера является единственно необходимостью для центромерного targeting, даже при длинном эволюционном расстоянии, на которое преимущественно дивергируют центромерные последовательности ДНК (Figure 4A; [113]).
Наблюдение, что дивергентные Drosophila CENP-A белки могут соединяться с дивергентными центромерами (до тех пор, пока существуют совместимые CAL1) подтверждает два возможных сценария: или это говорит против гипотезы centromere drive, или это подтверждает, что характер локализации ортологов CENP-A в экспериментах с гетерологичной экспрессией не может быть воспроизведен аккуратно centromere drive.
Мы склоняемся в пользу последней возможности. Мы думаем, что тестирование способности дивергентных CENP-As локализоваться на гетерологичных центромерах, не обязательно отражает могут или нет эти ортологи появляться в определенные моменты эволюции, чтобы супрессировать центромеры. Более того, дифференциальное сродство к специфическим центромерным сателлитам может никогда не стать столь выраженным, чтобы нарушать связывание центромер полностью, это согласуется с разнородностью, с которой CENP-A , как известно, соединяются с разными не центромерными ДНК (rev. [2]). Т.о., эти эксперименты собственно не воспроизводят centromere drive в действии и не могут быть использованы, чтобы подтвердить или опровергнуть centromere drive. Будучи способными измерить разные свободные энергии, ассоциированные с обматыванием нуклеосом, используя species-matched CENP-A и сателитную ДНК можно получить некоторую информацию, но в конченом счете прямой тест гипотезы centromere drive hypothesis нуждается в экспериментальной изоляции L1 супрессоров управляемых центромер, очень манящий подвиг.
Однако, открытие роли CAL1 в несовместимости центромер у Drosophila открывает необходимость в переоценке модели центромерного конфликта.
How Is Centromere Integrity Maintained in Drosophila Despite CENP-A's Rapid Evolution?
Эксперименты по замене доменов между mel и bip белками показали, что модули взаимодействие CENP-A-CAL1, которые необходимы, чтобы быть подходящими для успешной центромерной локализации ортологов CENP-A на mel центромерах являются L1 из CENP-A и первыми 40 аминокислотами из CAL1, которые являются частью CENP-A связывающего домена в CAL1. Следовательно, эти домены д. эволюционировать совместно, чтобы поддерживать функцию центромер [113].
Интересно, что структура человеческой CENP-A нуклеосомы, которая в отличие от L1 из гистона H3, L1 из CENP-A, высовывается наружу из нуклеосомы, предоставляя потенциальный сайт для взаимодействия с белками ([121-123]; Figure 4E). Хотя и неизвестно, действительно ли у Drosophila CENP-A L1 также высовывается, она, скорее всего, ведет себя по др., в сравнении с H3 L1 по способу, с которым она взаимодействует с ДНК, поскольку это взаимодействие с CAL1. Взаимодействие с CAL1 , как полагают, также влияет на эволюцию L1.
Предсказание критической роли L1 опосредовано у Drosophila распознанием CENP-A с помощью CAL1 и что это д. эволюционировать к оптимуму последовательности и оставаться неизменным скорее, чем быстро изменяться [85]. Вообще-то CAL1 достаточно гибкий, чтобы приспособиться к отложению ортологов CENP-A с дивергентными L1 доменами (напр., mel CAL1 может откладывать у Drosophila pseudoobscura CENP-A; Figure 4B), следовательно, развивается способность L1's быстро эволюционировать, чтобы супрессировать centromere drive. Напротив, мутации в L1, способные модулировать уровни отложения CENP-A, д. супрессировать centromere drive [83]. Однако, как указывалось ранее мутации L1, влияющие на отложение CENP-A's с помощью CAL1 на всех центромерах д. негативно воздействовать на функцию центромер без восстановления баланса и тем самым никогда не д. быть зафиксированы. Только L1 аллели, которые изменяют CAL1-обеспечиваемое отложение CENP-A на специфических центромерах, д. будут селектироваться, это может быть всё ещё необходимо на некотором уровне связывания специфических центромер, обеспечиваемого посредством ДНК или РНК (Figure 3B) [124]. Действительно ли L1 участвует в модуляции способности связывания ДНК для определенных конфигураций центромер или последовательностей с CAL1 играющим роль 'catch up', и действительно ли L1 участвует в модуляции эффективности отложения с помощью CAL1, остается неясным. Независимо от этого, CAL1 участвует вместе с L1, вот почему несовместимость может возникать меэжу несоответствующими др. др. CAL1 и CENP-A белками в экспериментах с гетерологичной экспрессией (Figure 5) [113].
В свете этих новых данных эволюция L1 в свете гипотезы centromere-drive необходимо принять во внимание тот факт, что CAL1 обеспечивает отложение CENP-A благодаря распознаванию этого региона и что в порядке продвижения к фиксации, L1 аллели должны (i) модулировать CENP-A загрузку и/или предпочтение центромеры только одного гомолога, (ii) не затрагивать CENP-A загрузку на др. центромеры и (iii) не нарушать критического взаимодействия с CAL1.
Conclusions and Perspectives
Although we are beginning to unravel the mechanisms of CENP-A assembly in a lineage harboring a rapidly evolving CENP-A, many questions remain unanswered. First, whether or not centromeric DNA is a contributing factor in CENP-A evolution is very hard to test experimentally, as previously discussed. Furthermore, there is increasing evidence that transcription and centromeric RNAs may regulate centromere function (reviewed in [48]). Therefore, genetic changes affecting centromere-derived RNAs (for instance, from retroelements) could also drive CENP-A evolution [124]. However, there might be yet unexplored models to account for the rapid evolution of centromeric DNA and centromere-binding proteins.
Second, why the ancestral CENP-A assembly factor (Scm3) was lost in several lineages is unknown. The HJURP/Scm3 family of chaperones has only been identified in lineages where CENP-A does not display rapid evolution of L1 (e.g., fungi and mammals). Conversely, Drosophila (and possibly nematodes, fishes, and plants [90, 94, 95]), where CENP-A L1 has been shown to be under positive selection, employ a distinct chaperone [83, 125]. CAL1 is co-evolving withDrosophila CENP-A, but it evolves at a slower rate than CENP-A [91]. We predict that permissive intermediate interactions allow these different modes of evolution. Perhaps CAL1 replaced the ancestral Scm3 chaperone in flies because of its ability to sustain the adaptive evolution of CENP-A. Alternatively, CENP-A could be rapidly evolving in flies because the birth of CAL1 relaxed structural constraints previously present on L1 in complex with Scm3 (see Outstanding Questions).
|