Посещений:
БОЛЕЗНИ, СВЯЗАННЫЕ С НАРУШЕНИЯМИ БЕЛКА SMCHD1



Эпигенетический регулятор SMCHD1, замалчивающий транскрипцию

The Epigenetic Regulator SMCHD1 in Development and Disease
Natasha Jansz, Kelan Chen,James M. Murphy, Marnie E. Blewitt
DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.tig.2017.01.007

It has very recently become clear that the epigenetic modifier SMCHD1 has a role in two distinct disorders: facioscapulohumoral muscular dystrophy (FSHD) and Bosma arhinia and micropthalmia (BAMS). In the former there are heterozygous loss-of-function mutations, while both gain- and loss-of-function mutations have been proposed to underlie the latter. These findings have led to much interest in SMCHD1 and how it works at the molecular level. We summarise here current understanding of the mechanism of action of SMCHD1, its role in these diseases, and what has been learnt from study of mouse models null for Smchd1 in the decade since the discovery of SMCHD1
Structural maintenance of chromosomes (SMC) flexible hinge domain-containing 1 (SMCHD1) является белком хроматина, участвующим в эпигенетическом молчании. Недавно установлено его участие в патогенезе двух очень отличающихся болезней развития: FSHD и BAMS [1, 2, 3]. SMCHD1 является крупным неканоническим белком семейства SMC, состоящим из N-терминального ATPase домена, огромного центрального домена, не обладающего гомологией с др.охарактеризованными белками, и С-терминаного SMC шарнирного домена (Figure 1) [4, 5]. SMCHD1 участвует в различных эпигенетичеких процессах, но механизмы, с помощью которых он вызывает замалчивание транскрипции, неизвестны.



FSHD


FSHD это с поздним началом прогрессирующая мышечная дистрофия, которая сначала проявляется в мышцах верхних конечностей и затем прогрессивно нисходит. В тяжелых случаях FSHD заставляет пациентов быть привязанным к инвалидному креслу (rev. [6]). FSHD является третьим среди наиболее распространенных нейромышечных нарушений и затрагивает каждого 1 на 8000 людей по всему миру [7]. Хотя обнаружение характерных особенностей продвинуло наше понимание генетических и молекулярных основ FSHD в последнюю декаду, лечение FSHD симптоматическое.
FSHD характеризуется реляксацией хроматина (see Glossary) из D4Z4macrosatellite массива на хромосоме 4. D4Z4 является полиморфным массивом (array), состоящим из варьирующего количества копий (вплоть до 100) из 3.3 kb D4Z4 единиц с повторами (Figure 2A). Каждая D4Z4 единица содержит DUX4 ретроген, кодирующий двойной гомеобоксный транскрипционный фактор. Обычно, экспрессия DUX4 ограничена зародышевыми клетками, поскольку в соматических клетках D4Z4 украшен репрессивными хроматиновыми модификациями, обусловливающими репрессию DUX4 [8]. При FSHD, однако, гипометилирование ДНК массива, приводит к потере триметилирования гистона H3 lysine 9 (H3K9me3), и к избытку H3K4me3, которые ассоциированы с мозаичной (variegated) экспрессией DUX4 (Figure 2C) [9-11]. Кроме того, пациенты могут также наследовать гаплотип 4qA - существуют два аллельных варианта дистального региона относительно D4Z4 массива, 4qA и 4qB [12]. На фоне 4qB транскрипт DUX4 не полиаденилируется и поэтому быстро деградирует. Напротив, 4qA кодирует сигнал полиаденилирования (poly-A), стабилизирующий транскрипт DUX4. Эктопическая экспрессия DUX4 инициирует разные профили транскрипции, которые токсичны для мышц и приводят к FSHD [13, 14].


FSHD может быть подразделена на два подтипа на базе лежащих в основе генетических мутаций. FSHD1 пациенты обладают уменьшенным массивом D4Z4, представленным менее чем 10 повторяющимися единицами (Figure 2A) [15]. FSHD2 пациенты составляют 5% от всех случаев FSHD и не обнаруживают уменьшение повторов, но вместо этого огромное большинство обладает гетерозиготными мутациями потери функции в SMCHD1 [1]. И генетические сокращения, и мутации в SMCHD1 приводят к реляксации хроматина массива D4Z4 на хромосоме 4. Т.о., патогенез FSHD связан с дигенным наследованием или сокращения массива D4Z4 или мутации в SMCHD1 в комбинации с аллелем 4qA.
Очевидно, что пациенты с FSHD1 могут обладать и сокращенным массивом D4Z4 и мутацией SMCHD1 при более тяжелом клиническом проявлении, чем просто только при сокращении массива [16]. SMCHD1 мутации у FSHD пациентов картируются в позициях вдоль всей длины белка SMCHD1 (Figure 1). Поскольку большинство миссенс мутаций не были функционально охарактеризованы, то делеции и нонсенс мутации безусловно ведут к потере функции и это предполагает, что SMCHD1 обычно выполняет роль репрессии DUX4 и поддержания гетерохроматина на D4Z4. Соотв., не патогенный массив D4Z4 на хромосоме 10, лишенный проксимального poly-A сигнала является депрессивным у FSHD2, но не у FSHD1 пациентов [1].



BAMS


BAMS это врожденное отсутствие носа и уменьшение размера глаз, часто сопровождаемое серией др. уродств [17, 18]. BAMS официально было описано Bosma в 1981, который наблюдал приведенные выше симптомы у двух не родственных мальчиков от здоровых родителей [18]. Редкое состояние, пока описано только 50 пациентов во всем мире. Arhinia (отсутствие носа) вызывает проблемы у затронутых индивидов с рождения и часто требуются обширные хирургические вмешательства у пациентов BAMS с юного возраста, чтобы предупредить структурные аномалии, мешающие развитию головного мозга, и облегчить респираторные проблемы [19, 20].
Считается, что Arhinia возникает из-за неспособности слияния верхнечелюстного и латерального носового отростков, ассоциированной с аномалиями cribiform пластинки во время эмбрионального развития [19]. Хотя были описаны некоторые крупные хромосомные аберрации у пациентов с отсутствием носа, вплоть до недавнего времени генетические причины BAMS оставались неизвестными [21]. Секвенирование следующего поколения позволило двум группам идентифицировать мутации de novo в SMCHD1 у пациентов с BAMS [2, 3]. Поразительно, все мутации располагались внутри чрезвычайно консервативных остатков ATPase домена и соседнего региона в SMCHD1, некоторые из которых безусловно оказались критическими для активности ATPase (Figure 1). Рекомбинантные белки, содержащие от пациентов полученные мутации внутри АТФ связывающего кармана в SMCHD1 обнаруживали повышенную способность гидролизовать АТФ, указывая на то, что они являются мутациями, вызывающими избыточную функцию [2]. Более того, инъекции SMCHD1 транскриптов, кодирующих мутантные белки, обнаруживаемые у BAMS пациентов, в ооциты Xenopus приводили к фенотипу маленьких глаз, напоминающих таковые у BAMS пациентов [2]. Этот фенотип воспроизводился при избыточной экспрессии дикого типа SMCHD1, тогда как инъекции SMCHD1 транскриптов, содержащих FSHD-ассоциированные мутации, не обнаруживали подобного фенотипа. Поскольку биохимические и in vivo данные, представленные Gordon et al. [2] подтвердили, что мутации у пациентов с BAMS усиливают функцию SMCHD1, то это исследование вместе работой Shaw et al. [3] обнаружили гипометилирование D4Z4 у некоторых пациентов с BAMS, хотя в меньшей степени, чем в случае FSHD [2, 3]. В противоположность Gordon et al., Shaw с коллегами установили, что нокдаун или нокаут Smchd1 у рыбок данио дает фенотип маленьких глаз и черепно-лицевые дефекты, хотя эти дефекты не были воспроизведены на мышах после внесения BAMS мутации [3]. Более того, мыши гетерозиготные и гомозиготные по nonsense мутации в Smchd1 (described in the next section) не обнаруживали очевидных дефектов глаз или носа [22].
Для выяснения, действительно ли полиморфизмы SMCHD1, обнаруживаемые у пациентов с FSHD и BAMS, вызывают потерю или избыточность функции SMCHD1 нужны дальнейшие исследования. Главным затруднением перед исследователями BAMS является крайняя редкость случаев с подобными дефектами развития. Напр., анализ экспрессии генов, осуществленный на лимфобластоидной линии клеток от пациентов с arhinia и в контроле не выявил достоверных изменений [3].Эти данные согласуются с тем, что BAMS возникает во время определенного временного промежутка in utero и не оказывает влияния на клетки крови, и это не помогает нам понять, как мутации у пациентов с BAMS, обнаруживаемые в SMCHD1, изменяют его функцию. Сходным образом, оказался бесполезным анализ метилирования ДНК в D4Z4, осуществленный на периферических лейкоцитах крови; правда, семейный и возрастной контроль для молодых пациентов с arhinia был недоступен и гипометилирование в отношении возраста не было определено [2, 3]. Для преодоления затруднений с выборками, полученными от пациентов, обе группы пришли к заключению, используя модельные организмы не из млекопитающих, чтобы охарактеризовать происходящие от пациентов мутации. Т.о., отличающиеся клеточные или организменные контексты, лежащие в основе черепно-лицевого развития, также могут объяснять кажущиеся несоответствующими данные, представленные двумя группами. Было подчеркнуто, что в то время как Gordon с коллегами наблюдали усиление ATPase активности в некоторых, но не во всех мутантных белках, функция SMCHD1 ATPase домена оставалась неизвестной и усиление ATPase активности не обязательно было сравнимым с усилением способности к замалчиванию.
Генетические и клинические данные подчеркнули также сложные взаимоотношения между мутациями в SMCHD1 и проявлениями болезни; с одной стороны, FSHD2 пациенты рождались без лицевых аномалий, указывая, что лишь гаплонедостаточность функции SMCHD1 недостаточна, чтобы вызвать BAMS. С др. стороны, идентифицирована мутация Gly137Glu у пациентов с FSHD и BAMS, и были описаны индивиды с мутацией Asn139His, имеющие симптомы обоих синдромов [3]. Однако, ни у одного пациента не была измерена экспрессия DUX4 и поэтому также возможно, что эти пациенты имели другое сходное клинически нарушение, такие как дистрофия мышц верхнего пояса, которая иногда неправильно диагностируется как FSHD [23]. Поэтому хотя весомые доказательства подтверждают, что FSHD2 вызывается мутациями потери функции в SMCHD1, может оказаться, что дихотомия потери и избыточности функции для FSHD в противовес BAMS может быть упрощена, чтобы объяснить все случаи.
Дальнейшая характеризация миссенс мутаций SMCHD1 сможет помочь понять патогенез болезни, но терапевтические вмешательства вряд ли будут базироваться на улучшении понимания молекулярных механизмов, с помощью которых функция SMCHD1 будет установлена в исследованиях модельных эпигенетических процессов у мышей. Однако, недавние успехи в технологи секвенирования следующего поколения предоставляют информацию о том, как SMCHD1 может регулировать транскрипцию.



SMCHD1 As a Transcriptional Repressor


В основном тем же самым способом, что и человеческий SMCHD1 осуществляется функция на уровне массива D4Z4, SMCHD1 сначала обнаружил своё участие в эпигенетическом контроле благодаря участию в repeat-induced замалчивании мышиного многокопийного GFP трансгена, экспрессия которого также оказалась мозаичной (variegated) (Figure 2B) [24]. Эта линия была использована для скрининга мутаций после действия N-ethyl-N-nitrosourea (ENU), чтобы выявить новые эпигенетические модификаторы. Модификатор modifier of murine metastable epialleles dominant 1 (MommeD1) в линии, сгенерированной при этом скрининге, обладал нонсенс мутацией в Smchd1, вызывая nonsense-обусловленный распад транскрипта Smchd1 [22]. MommeD1 мыши обнаруживали зависимое от дозы повышение клеток, экспрессирующих трансген, указывая, что SMCHD1 является репрессором транскрипции (Figure 2D).
Линия MommeD1 продуцирует гетерозиготных мутантов в ожидаемом соотношении и жизнеспособных гомозиготных самцов, в меньшем, чем ожидалось количестве; однако, гомозиготные самки не выживали после середины беременности [24]. Тщательная проверка самок на ст. эмбриогенеза (E) день E10.5 выявила гипометилирование промотора Х-сцепленного гена Hprt у Smchd1MommeD1/MommeD1 самок и в меньшей степени у гетерозиготных самок [24]. Эти наблюдения подтвердили роль SMCHD1 в инактивации Х хромосомы (XCI) (Box 1).

Box 1 X Chromosome Inactivation

SMCHD1 Is Crucial for XCI


В отсутствие SMCHD1, случайная XCI в эмбрионе и импринтированная XCI в плаценте, отсутствуют [22]. У эмбрионов ранние стадии XCI протекают нормально, на что указывает накопление Xist long non-coding RNA (lncRNA) и H3K27me3 на неактивной Х хромосоме (Xi). Однако, обнаруживается неспособность собственно устанавливать или поддерживать молчание на Xi, как это показано в промежуток развития, во время которого эмбрионы самок Smchd1MommeD1/MommeD1 погибают [22]. Это наблюдение подтверждается данными in vitro - нокдаун Smchd1 в эмбриональных фибробластах мыши (MEFs) приводит к реактивации трансгена GFP на Xi [25]. Наиболее впечатляющим фенотипом в отсутствие SMCHD1 является драматическое гипометилирование ДНК по CpG островкам (CGI) на Xi, связанное с усилением активности субнабора X-сцепленных генов, которые метилируются позднее во время процесса инактивации X [26, 27, 28]. Однако, Dnmt3b нулевые эмбрионы обнаруживают широкое распространение гипометилирования X-сцепленных CGI по сравнению с Smchd1 нулевыми эмбрионами, но не активируют те же самые Х-сцепленные гены, казывая на др. механизмы, участвующие в SMCHD1-обеспечиваемом молчании Xi [26]. Соотв. метод иммунофлюоресценции для SMCHD1 в мышиных и человеческих соматических интерфазных ядрах самок установил, что SMCHD1 обогащен на Xi, подтверждая прямую и непрерывную роль SMCHD1 в поддержании XCI [22, 29]. Иммунопреципитация хромосом в комбинации с данными глубокого секвенирования (ChIP-seq) в клетках человека показали, что SMCHD1 располагается поверх доменов Xi, обогащенных H3K27me3 и XIST, и что он взаимодействует с H3K9me3 доменами, чтобы вызвать компакцию Xi [29].

SMCHD1 Regulates Autosomal Monoallelic Gene Expression


Несмотря на важную роль SMCHD1 в XCI и жизнеспособность Smchd1 нулевых самцов мыши на некоторых генетических фонах, повсеместная экспрессия SMCHD1в клетках самцов и самок указывает на более широкую роль SMCHD1 в регуляции транскрипции [22,24]. Глобальный анализ экспрессии в клетках и эмбрионах, полученных от самцов Smchd1MommeD1/MommeD1 мышей показал, что в отсутствие SMCHD1, аутосомная моноаллельная экспрессия генов нарушается в некоторых импринтированных кластерах protocadherin генов (Boxes 2 and 3 , соотв.) [27, 28].

Box 2 Genomic Imprinting

Box 3 Clustered Protocadherin (Pcdh) Genes

Потеря SMCHD1 приводит к биаллельной экспрессии транскриптов в кластере Snrpn , который ассоциирует с somatic differentially methylated regions (sDMR), тогда как экспрессия импринтируемых генов, которые находятся только под контролем первичного imprint control region (ICR), не затрагивается. Соотв., в то время как sDMRs гипометилированы в отсутствие SMCHD1, метилирование ICR не нарушено, подтверждая, что SMCHD1 участвует в становлении метилирования после имплантации [27, 28]. Данные ChIP-seq показали, что SMCHD1 соединяется с Snrpn локусом, подтверждая, что SMCHD1 играет непосредственную роль в молчании генов этого кластера [30].
В Igf2r импринтируемом кластере, импринтинг экспрессии Slc22a3 теряется в плаценте, лишенной SMCHD1, тогда как импринтинг Igf2r не затрагивается [28]. Igf2r кластер находится под контролем ICR в экзоне 2 из Igf2r; однако, импринтинг Slc22a3 регулируется с помощью экспрессии Airn lncRNA из отцовского аллеля, который целенаправлено направляет H3K9 метилтрансферазу G9a на локус [31]. Потеря SMCHD1 не изменяет дифференциальное метилирование Igf2r ICR, открывая возможность, что SMCHD1 может участвовать в Airn/H3K9me3-управляемом молчании [28].
Собранные в кластер гены protocadherin (Pcdh) являются предметом случайной комбинационной моноаллельной экспрессии генов, которая не зависит от родительского происхождения (Box 3). В Smchd1 нулевых клетках Pcdh гены во всех трех кластерах активируются, особенно в Pcdha (α) и Pcdhb (β) кластерах [27, 28]. Метилирование в CpG островках собранных в кластер Pcdh генов в SMCHD1-дефицитных клетках было достоверно снижено, подтверждая, что SMCHD1 участвует в поддержании метилирования в этом регионе. SMCHD1 непосредственно соединяется с энхансером и промотором клстрированных Pcdh генов, подтверждая непосредственную роль SMCHD1в регуляции их экспрессии [30].
Как показано выше, исследования на мышиных моделях выявили важную роль SMCHD1 в регуляции нескольких форм моноаллельной экспрессии генов, которая контролируется с помощью разных механизмов. Однако, все изученные локусы в отсутствие SMCHD1 приводили к активации генов внутри стабильно замалчиваемого факультативного гетерохроматина, нарушения локального окружения хроматина, скорее всего, гипометилирование ДНК и альтерации гистоновых модификаций. Дальнейшие исследования молекулярных механизмов, лежащих в основе функции SMCHD1 смогут просветить нас относительно того, являются ли изменения хроматина прямым или косвенным проявлением потери SMCHD1 в этих локусах.

Molecular Mechanisms


Недавние успехи в нашем понимании структуры и функции SMCHD1 в купе с исследованиями потери функции, представили первые указания на механизмы, лежащие в основе молекулярной функции SMCHD1.
SMCHD1 является не каноническим членом семейства белков SMC, обладающим С-терминальным SMC шарнирным доменом и N-терминальным ATPase доменом [4, 5]. SMC белки гетеродимеризуются, чтобы сформировать специфические комплексы, участвующие в крупномасштабной организации хроматина, регуляции генов и репарации ДНК. Гетеродимеризация происходит посредством как ATPase доменов в присутствии АТФ и, так и SMC шарнирных доменов. Вместе с субъединицей Kleisin белки SMC образуют характерную кольцевую структуру, это облегчает взаимодействия с хроматином (rev. [32]).
В отличие от канонических SMC белков, C-терминальный шарнирный домен SMCHD1 в принципе обеспечивает гомодимеризацию белка полной длины посредством дивергентного димерного расположения на флангах межмолекулярных двойных спиралей (coiled-coils) [4]. N-терминальный регион SMCHD1, содержащий GHKL-ATPase домен, по-видимому, приспособлен к вытянутой конформации, которая напоминает структуру полной длины хитшокового белка 90 (HSP90) [5]. Т.о., вполне возможно, что N-терминальный регион и С-терминальный шарнирный домен соединены посредством срединного региона, чтобы сформировать голова-к-голове гомодимер SMCHD1 который, по-видимому, напоминает общую топологию подобного кольцу комплекса SMC. Дальнейшие доказательства для такой гомодимерной конформации получены с помощью ЭМ негативно окрашенных изображений полной длины рекомбинантного SMCHD1 [33].
Идентификация сайтов связывания SMCHD1 по всему геному с помощью ChIP-seq подтверждает, что SMCHD1 непосредственно взаимодействует с хроматином, чтобы регулировать транскрипцию [30]. Сходным образом, ChIP данные для человека показали, что SMCHD1 обогащен в D4Z4 локусе и такое обогащение снижается в выборках от пациентов с FSHD, одновременно с дерепрессией D4Z4 [1]. Ассоциации SMCHD1 с хроматином также доказаны по его локализации на Xi, как было показано с помощью иммунофлоресценции и ChIP [22, 29]. Более того, in vitro данные, полученные с использованием рекомбинантного белка, показали, что шарнирный домен SMCHD1 обладает способностью непосредственно соединяться с синтетическими олигонуклеотидами и эта способность исчезала, когда обнаруживаемая мутация у FSHD2 пациентов вводилась в рекомбинантный белок [30]. Было также показано, что шарнирный домен необходим для SMCHD1, чтобы сохранять связь с хроматином в контексте клетки [33]. Итак, эти данные подтверждают прямое взаимодействие между шарнирным доменом SMCHD1 и хроматином, необходимое для замалчивания локусов мишеней.
Остался вопрос, как SMCHD1 управляет локусами мишенями. Предложено несколько моделей, но необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить какая из этих моделей является эксклюзивной или фактически существуют множественные механизмы, с помощью которых SMCHD1 целенаправленно воздействует на хроматин. Исследования на клетках мыши и человека установили, что SMCHD1 взаимодействует с зависимым от лиганда взаимодействующим с ядерным рецептором фактором 1 (LRIF1) и его гомологом у человека, HBiX1, и что посредством heterochromatin protein 1 (HP1) это взаимодействие заставляло SMCHD1 соединяться с H3K9me3-маркированным хроматином [29, 33]. Было предположено, что это взаимодействие необходимо для целенаправленного воздействия на аутосомы, но не для целенаправленного воздействия SMCHD1 на Xi, несмотря на то, что взаимодействие между SMCHD1 и LRIF1 всё ещё существующем на Xi [33]. В самом деле, когда HBiX1 подвергается нокдауну в клетках человека, то SMCHD1, накапливающийся поверх регионов, богатых H3K9me3, теряется из Xi, хотя SMCHD1 продолжает взаимодействовать с регионами, богатыми H3K27me3 и с XIST, указывая, что SMCHD1 может взаимодействовать с хроматином Xi независимо от H3K9me3 [29]. Более того, хотя H3K9me3 обнаруживается по всему геному, но распространение SMCHD1 по геному ограничено 227 высоко-доверенными сайтами связывания в нервных стволовых клетках самцов, подтверждая, что сама по себе концентрация H3K9me3 недостаточна для целенаправленного действия SMCHD1 [30].
Одинаковое расположение SMCHD1 с XIST на Xi подчеркивает, что SMCHD1 может взаимодействовать с XIST, и вообще с lncRNAs для целенаправленного действия на хроматин. В частности, lncRNAs участвуют в регуляции транскрипции многих локусов, где функционирует SMCHD1. Расположение SMCHD1 на Xi зависит от XIST и SMCHD1 был также идентифицирован как партнер по взаимодействию Xist при скрининге, осуществленном в MEFs [29, 34]. С др. стороны, концентрация SMCHD1 на Xi задерживается по отношению к активации Xist в дифференцирующихся мышиных эмбриональных стволовых клетках, подтверждая, что Xist не непосредственно или, по крайней мере, не немедленно рекрутирует SMCHD1 на Xi, это согласуется ч тем, что SMCHD1 не был обнаружен при др. скринингах Xist interactors, осуществленных рано во время XCI [35, 36]. Однако, в подтверждение модели прямой связи, SMCHD1 рекомбинантный шарнирный домен, как было установлено, взаимодействует с синтетическими РНК нуклеотидами in vitro [30]. Потенциальное взаимодействие между Xist и SMCHD1 нуждается в прямом подтверждении; однако, это является интригующей возможностью, что SMCHD1 может целенаправленно воздействовать на хроматин посредством взаимодействий с РНК.
Роль SMCHD1 в организации хроматина высокого порядка впервые была предположена Nozawa et al. в ответ на наблюдаемую декомпактизацию Xi после нокдауна SMCHD1 [29]. Такая декомпактизация объясняется потерей взаимодействия между SMCHD1 и HBiX, разрывом мостиков между H3K27me3 и H3K9me3 доменами Xi. Более недавно анализ мотивов SMCHD1 ChIP пиков установил, что SMCHD1 связывание перекрывается с расположением CCCTC-binding factor (CTCF) на промоторах и дистальных цис-регуляторных элементах [30]. Chen et al. продемонстрировали, что SMCHD1 и CTCF обладают противоположными эффектами на экспрессию кластера protocadherin генов, тем самым открывается примечательная возможность, что существует между SMCHD1 и CTCF функциональный антагонизм. Остается установить, действительно ли этот противоположный эффект на транскрипцию будет обнаруживаться по всему геному; однако, половина сайтов связывания SMCHD1 обнаруживается в нервных стволовых клетках, перекрываясь с сайтами CTCF и было найдено, что CTCF оказывает противоположный SMCHD1 эффект при FSHD [30, 37]. Эти данные открывают возможность, что SMCHD1 может участвовать в обеспечении дальнодействующих взаимодействий хроматина, чтобы регулировать транскрипцию, принимая во внимание, что CTCF, как было установлено, контролирует петлеобразование хроматина [38]. Возможно, что SMCHD1 участвует в ATФ-зависимом ремоделировании хроматина подобно др. SMC белкам, принимая во внимание, что он содержит функциональный АТФазный домен [5, 33]. Принимая во внимание, что некоторые BAMS мутации могут повышать рекомбинантную SMCHD1 ATPase активность, было бы интересно исследовать, как SMCHD1 утилизирует свою ATPase активность, чтобы взаимодействовать с хроматином или др. белками хроматина на сайтах мишенях, чтобы осуществлять эпигенетический контроль.

Model


SMCHD1 действует в локусах, которые являются предметом стабильного и наследуемого молчания и это задействует множественные эпигенетические механизмы, чтобы гарантированно поддерживать молчание. Когда SMCHD1 исчезает из этих локусов, то происходят широко распространяющиеся изменения локальных условий хроматина, наиболее заметны является драматическая потеря метилирования ДНК. На многих SMCHD1 мишенях энхансерах и промоторах, SMCHD1 и CTCF, по-видимому, выполняют противоположные роли. В самом деле, в то время как CTCF преимущественно соединяется с неметилированными последовательностями, SMCHD1 обнаруживает предпочтение к метилированным последовательностям [30]. Итак, эти данные подтверждают, что SMCHD1 может участвовать в становлении и/или поддержании структуры репрессивного хроматина, потенциально путем удержания дистальных энхансеров вдали от ассоциированных промоторов зависимым от энергии способом. Когда связь SMCHD1 уменьшается, то происходят пертурбации этих взаимодействий хроматина, которые могут приводить к дестабилизации локальных условий в хроматине. Возникающая в результате реляксация хроматина будет создавать состояние, разрешающее транскрипцию, при этом будут взаимодействовать энхансеры и промоторы (Figure 3, Key Figure). Изучение организации хроматина высшего порядка в отсутствие SMCHD1, связанное с получением профиля хроматина, сможет помочь выяснить механистическую роль SMCHD1 в этих процессах.

Concluding Remarks and Future Perspectives


SMCHD1 is an interesting case in that mutations that alter SMCHD1 function drive divergent human diseases that are characterised by distinct disease onset and affected tissues. While BAMS is a congenital disorder where treatment to inhibit SMCHD1 would not be of therapeutic benefit, FSHD can be diagnosed at the early stages of disease progression. The discovery of mutations that enhance the ATPase activity of SMCHD1 in BAMS patients raises the possibility that SMCHD1 has the potential to be activated, and this could be exploited in developing a treatment for FSHD. FSHD2 patients are heterozygous for mutations in SMCHD1, and thus the wild-type copy of SMCHD1 in these patients could be targeted for activation in an attempt to overcome the effects of SMCHD1 haploinsufficiency or potential dominant negative mutations driving disease. Because SMCHD1 is a modifier of disease severity in FSHD1, activating SMCHD1 also has the potential to relieve FSHD1 patients. Further studies in BAMS patients and in mouse models will be necessary to understand the molecular consequences of enhancing the ATPase activity of SMCHD1, particularly with regards to differential gene expression and the local chromatin environment (see Outstanding Questions). These studies will not only teach us about how SMCHD1 functions normally and in disease but also will inform us as to whether enhancing the ATPase activity of SMCHD1 could enhance its silencing capacity, and potentially reverse the effects of loss of SMCHD1 function at the D4Z4 locus in FSHD, and ultimately guide the development of treatments for FSHD patients