Spreading of silent chromatin: inaction at a distance
Nature Reviews Genetics 7, 793-803 (October 2006) | doi:10.1038/nrg1920 | |
 Рис.1. | Classes of models for action at a distance.  Рис.2. | SIR-dependent silencing in budding yeast: oozing and/or looping.  Рис.3. | A sliding model for transcription-coupled spreading.  Рис.4. | A hopping model for Polycomb-dependent silencing. Box 1 | Models of SIR complex assembly Box 2 | Complexities of heterochromatin assembly in Drosophila | Одной из старейших нерешенных проблем генетики является наблюдение, что молчание может 'распространяться' вдоль хромосомы. Хотя распространение принято рассматривать как процесс дальнодействующей сборки хетерохроматиновых белков, такое "просачивание" ('oozing') может быть непригодным для большинства случаев. Скорее дальнодействующее молчание является, по-видимому, динамическим процессом, связанным с локальной диффузией гистон-модифицирующих энзимов из источника связывающих сайтов с близлежащими сайтами низкого сродства. Прерывистое молчание может отражать looping взаимодействия, в то время как распространение непрерывного молчания может управляться с помощью processive движения РНК или ДНК полимераз. Приводятся доказательства распространения молчания во множественных контекстах и организмах и делается вывод, что множественные механизмы вовлекаются в это молчание генов на расстоянии.
Ptashne описал 4 общих класса механизмов, с помощью которых белки одного сайта (an enhancer) могут влиять на белки др. сайта (a promoter) (Fig. 1): петлеобразование, при котором находящаяся в деле ДНК образует петлю, которая делает возможным контакт между белками двух сайтов; twisting, при котором конформационные изменения в ДНК связываются белком или индуцируются с помощью ферментативного действия белка (такое как unwinding) распространяясь через ДНК, чтобы позволить присоединение др. белков к промотору; sliding, при котором белок соеди няется с одним сайтом и затем скользит или перемещается водоль хромосомы, чтобы взаимодействовать с белком др. сайта; и oozing, при котором связывание белка в одном сайте облегчает соседнее связывание дополнительных белков пока не возникнет мультимерный белковый комплекс, распространяющийся на сайт инициации транскрипции. Ptashne полагает, что доказательства говорят в пользу петлеобразования как главного способа взаимодействия энхансер-промотор. Хотя эти модели были предложены для объяснения внутригенных эффектов энхансеров на промоторы, того же самого класса модель пригодна и для крупной шкалы, чтобы объяснить эффекты межгенного распространения вдоль хромосом, особенно, чтобы объяснить PEV, который в случае white и Notch может действовать на расстоянии 330 kb.
Т.к. ДНК у эукариот обернута плотно вокруг нуклеосом и т.к. topoisomerases повсеместны, то вряд ли возможно, что скручивание ДНК может распространяться через множество нуклеосом до тех пор, пока как при репликации, скручивание само по себе становится sliding. Однако, looping, sliding и oozing механизмы в принципе применимы к межгенным расстояниям. Петлеобразование в частности вовлечено в обеспечение взаимодействий через хромосомные расстояния, хотя шансы натолкнуться на такие удаленные сайты невелики, такие крупномассштабные looping взаимодействия как принято считать стабилизируются с помощью межбелковых взаимодействий. Conclusions
Our survey of spreading in diverse model eukaryotes reveals evidence for at least three of the classical modes of action-at-a-distance: looping, sliding and oozing. Looping can explain cooperative effects in silencing in both budding yeast and flies, and is thought to bring regions together to help to create or maintain regions of high concentration that can favour assembly processes and convert 'protosilencers' to nucleation centres. Looping can operate over chromosome-length distances in flies. Oozing seems to apply to the spread of silent chromatin in budding yeast, although the assembly of SIR proteins into pre-existing silent chromatin suggests that it is not strictly processive. If oozing occurs in fission yeast and flies, it is more dynamic than traditionally conceived, and in flies must involve an undescribed re-initiation process that blurs the concept of oozing. Oozing is also relatively short-range; there is little evidence to suggest that it can occur over more than approx10 kb. Sliding by DNA or RNA polymerases is an attractive mechanism to explain spreading, if only because we know that these enzymes move processively along DNA and must profoundly disrupt chromatin in order to gain access to DNA and denature it for copying. Although transcripts that are >100 kb are known in flies, re-initiation of transcription-mediated assembly is a more probable explanation for spreading over hundreds of kilobases. siRNAs could help to direct histone methyltransferases to new nucleation sites in cis or trans, but spreading could be limited by the proposed need to be near reservoirs of high concentrations of assembly components.
In addition to these classical models, we add another: hopping107, in which a histone-modifying enzyme is actively released from a source site to bind nearby sites of low affinity, residing long enough at low-affinity sites to modify histone tails. Hopping could explain discontinuous gene inactivation in PEV, both for cis-spreading (skipping) and for trans-inactivation. Hopping would be facilitated by coalescence, in which the bringing together of distant loci within the nucleus would raise the concentration of Su(var)3-9 or E(z) bound to source sites enough to increase the probability of transfer to low-affinity sites. It is also possible that the Sir2 histone deacetylase hops in a similar way from silencers to protosilencers, although in this case, hopping would be facilitated by oligomerized Sir3. Based on its possible involvement in all of these silencing systems, we propose that hopping is an ancestral mechanism for spreading. Budding yeast would have re-deployed hopping in SIR-dependent silencing, which replaced the more general histone H3 lysine methyltransferase-dependent silencing systems that evolved before the divergence of modern eukaryotes. Hopping might be a widely used mechanism for propagating a disturbance along a chromosome, and should be considered when investigating action, or inaction, at a distance.
|