В чем же в действительности заключается эпигенетический контроль?
В транскрипции или регуляции хроматина играют роль приблизительно 10% пула белков, закодированных в геноме млекопитающих (база данных Swiss-Prot). Исходя из того, что геном млекопитающих состоит из 3 на (10 в 9-ой степени) п.н., он должен вмещать приблизительно 1 на (10 в 7-ой степени) нуклеосом. Это дает начало огромному разнообразию возможных регуляторных сигналов, включая взаимодействия при связывании с ДНК, модификации гистонов, варианты гистонов, ремоделинг нуклеосом, метилирование ДНК и некодирующие РНК. Один только процесс регуляции транскрипции весьма сложен и часто требует сборки крупных мультипротеиновых комплексов (более 100 белков), чтобы обеспечить инициацию, элонгацию и правильный процессинг информационной РНК с одиночного выбранного промотора. Если уж регуляция, специфическая по отношению к нуклеотидной последовательности ДНК, столь сложна, можно ожидать, что еще сложнее окажутся характеризующиеся низким сродством ассоциации вдоль динамического полимера, состоящего из ДНК и гистонов. Исходя из этих соображений, можно ожидать, что лишь изредка какая-то одна модификация будет коррелировать с одним каким-то эпигенетическим состоянием. Более вероятно (и в пользу этого говорят экспериментальные данные), что эпигенетические состояния стабилизируются и воспроизводятся определенной комбинацией или кумулятивным влиянием нескольких (возможно, многих) сигналов на протяженном участке хроматина ( Fischle et al., 2003b ; Lachner et al., 2003 ; Henikoff, 2005 ).
По большей части, связывание транскрипционного фактора является временным и утрачивается в последующих клеточных делениях. Для сохраняющихся паттернов генной экспрессии транскрипционные факторы нужны при каждом последующем клеточном делении. Как таковой, эпигенетический контроль может усиливать первичный сигнал (например, стимуляцию промотора, сайленсинг генов, определение центромеры) в последовательных клеточных генерациях (но не бесконечного их числа) путем наследственной передачи информации через хроматиновую матрицу ( рис. 3.20 ). Интересно отметить, что у S. pombe эпигенетический мозаицизм, зависящий от Swi6 , можно репрессировать на много клеточных делений во время как митоза, так и мейоза ( Grewal and Klar, 1996 ) модификациями гистонов (вероятнее всего, НЗК9mе2 ). Аналогичные исследования были выполнены на Drosophila с использованием импульса некоего активирующего транскрипционного фактора для передачи клеточной памяти об экспрессии гена Нох в зародышевом пути самок ( Cavalli and Paro, 1999 ). В обоих этих примерах эпигенетическая память опосредуется изменениями хроматина, в том числе отдельными модификациями гистонов и, вероятнее всего, включением гистоновых вариантов.
Если модификации гистонов функционируют совместно, импринт может остаться на хроматиновой матрице , что поможет маркировать нуклеосомы, в особенности если сигнал восстанавливается после репликации ДНК ( рис. 3.20 ). Для еще более стабильного наследования сотрудничество между модификациями гистонов, включением гистоновых вариантов и ремоделингом хроматина может превратить протяженный участок хроматина в устойчиво измененные структуры, которые затем будут воспроизводиться на протяжении многих клеточных делений. Хотя это объяснение относится к наследованию состояний "включения" транскрипции, аналогичный синергизм между репрессивными эпигенетическими механизмами будет более устойчиво закреплять "молчащие" участки хроматина, и это далее будет усилено дополнительным метилированием ДНК .
Двойная спираль ДНК может тогда рассматриваться как самоорганизующийся полимер, который, через его упорядочивание в хроматин, может реагировать на эпигенетический контроль и усиливать первичный сигнал, превращая его в более долговременную "память". Кроме того, многие модификации гистонов, вероятно, развились в ответ на внутренние и внешние стимулы. В соответствии с этим энзимы, модифицирующие хроматин, нуждаются в кофакторах, таких как АТФ (киназы), ацетил-CoA ( HATs ) и SAM ( HKMTs ), уровни которых диктуются изменениями внешних условий (например, диетой). Таким образом, измененные условия могут транслироваться в более динамичный или более стабильный полимер из ДНК и гистонов. Прекрасным примером этого является зависящий от NAD Sir2 (группа HDAC ), который действует как "сенсор" для пищевых веществ и веществ и клеток на протяжении их жизни или уже стареющих (life-span/aged клеток) ( Guarente and Picard, 2005 ; Rine, 2005 ). Понимание того, как эти сигналы из внешней среды превращаются в биологически значимые эпигенетические сигнатуры и каким образом они прочитываются, транслируются и наследуются, находится в центре современных эпигенетических исследований. Важно, однако, подчеркнуть, что эпигенетический контроль требует сложного равновесия между многими факторами и что функциональное взаимодействие не всегда надежно восстанавливается после каждого клеточного деления. В этом состоит функциональный контраст с генетикой, которая имеет дело с изменениями нуклеотидной последовательности ДНК, всегда стабильно воспроизводящимися в митозе и мейозе, если эти мутации происходят в зародышевом пути .
Важным вопросом, вытекающим из проведенных исследований, является вопрос о том, каким образом информация, содержащаяся в хроматине, поддерживается при передаче от материнской клетки дочерним клеткам. Если клетка утрачивает свою идентичность в силу заболевания, неправильной регуляции или репрограммирования, сопровождается ли эта потеря идентичности изменениями в структуре хроматина? Основной синтез большинства коровых гистонов очень сильно регулируется на протяжении клеточного цикла. Транскрипция генов коровых гистонов происходит обычно в S-фазе, на стадии, когда реплицируется ДНК (т.е. связана с репликацией). Эта "координация" гарантирует, что с удвоением количества ДНК в клетке имеется достаточное количество коровых гистонов для связывания со вновь реплицированной ДНК; таким образом, упаковка ДНК происходит одновременно с ее репликацией. Различные участки хроматина могут иметь отчетливые различия по гистоновым модификациям, программирующим данный участок в отношении того, будет ли он транскрибироваться или нет. Каким образом домены вновь синтезированного дочернего хроматина сохраняют эту информацию, ключевую для экспрессии соответствующих генов? Каким образом эта программа надежно реплицируется от одного клеточного поколения к следующему или же проходит через мейоз и формирование зародышевой клетки (спермия или яйца)? Эти центральные вопросы ожидают будущих исследований.
Хотя первоначальные исследования указывали на полуконсервативный процесс, в ходе которого откладывается новый тетрамер НЗ/Н4, вслед за чем инкорпорируются два новых димера Н2A/Н2В, данные последнего времени подвергли эту гипотезу сомнению. В этой недавней модели "новые" полипептиды НЗ и Н4, которые уже могут нести несколько посттрансляционных модифкаций, включаются как вновь синтезированные гистоновые димеры НЗ/Н4 вместе со "старыми" димерами НЗ/Н4, расходящимися между материнской и дочерней ДНК. Если это так, тогда эти модифицированные, родительские димеры НЗ/Н4 также присутствуют теперь вместе с вновь синтезированными димерами на одной и той же ДНК. Их совместное присутствие могло бы тогда диктовать, какие "правильные" модификации должны размещаться на вновь добавленных димерах ( Tagami et al., 2004 ). Эта модель выглядит привлекательной и может помочь объяснить наследование гистоновых модификаций и, таким образом, воспроизведение эпигенетической информации в ходе репликации ДНК и при клеточном делении. Однако необходимы новые данные в поддержку этой или других моделей, предназначенных для объяснения передачи хроматиновых меток в ходе клеточного деления.
Остается задать вопрос: отличается ли эпигенетический контроль сколько-нибудь фундаментальным образом от основных генетических принципов? Хотя мы можем захотеть рассматривать "эпигенетический ландшафт" Уоддингтона как разграниченные участки активирующих и репрессивных гистоновых модификаций на континууме хроматинового полимера, этот взгляд легко может оказаться чрезмерной детализацией. Ведь только в последние годы мы узнали об основных ферментных системах, посредством которых могли воспроизводиться модификации гистонов. Это оформило наши современные представления о стабильности и, отсюда, наследовании некоторых гистоновых меток. Кроме того, это подчеркивается недавними исследованиями, которые показывают, что мутации по активностям, модифицирующим хроматин, таким как ремоделеры нуклеосом ( Cho et al., 2004 ; Mohrmann and Verrijzer, 2005 ), DNMTs ( Robertson, 2005 ), HDACs или HKMTs ( Schneider et al., 2002 ), поскольку они часто обнаруживаются при ненормальном развитии и неоплазиях, являются красноречивыми примерами конечного могущества генетического контроля. Как таковое, возникновение опухоли у этих мутантных мышей обычно рассматривается как генетическое заболевание. В противоположность этому изменения в структуре хромосом, метилировании ДНК и профилях модификаций гистонов - которые не вызываются мутировавшим геном - обычно классифицируются как "истинные" эпигенетические аберрации. Превосходными примерами этих более пластичных систем являются стохастические "выборы" в раннем эмбриональном развитии , репрограммируемые пересадкой ядра, транскрипционная память , геномный импринтинг , мозаичная инактивация Х-хромосомы , центромерная идентичность и прогрессия опухоли . Генетика и эпигенетика, таким образом, оказываются тесно связанными явлениями, и обеим им присуще их воспроизведение в ходе клеточных делений, которое, в том что касается генетического контроля, охватывает также и зародышевый путь , если мутации возникают в зародышевых клетках . В случае других - часто слишком легко классифицируемых - эпигенетических модификаций мы не знаем, являются ли они лишь отражением мелких и преходящих реакций на изменения во внешней среде или же вносят существенный вклад в фенотипические различия, которые затем могут поддерживаться на протяжении многих делений соматических клеток, хотя и не бесконечного их числа, и иногда могут затрагивать зародышевый путь. Даже при наших весьма продвинутых сегодня знаниях об эпигенетических механизмах какие- либо новые доводы в пользу ламаркизма отсутствуют или почти отсутствуют.
Смотрите также:
