Центромеры идентифицируются специальным вариантом H3
Определяющей особенностью эукариотической хромосомы является центромера , которая служит местом прикрепления микротрубочек веретена во время митоза. Первыми центромерами, описанными на молекулярном уровне, были центромеры почкующихся дрожжей ( Saccharomyces cerevisiae ), где последовательность длиной 125 п.о. необходима и достаточна для формирования центромеры ( Amor et al., 2004а ). Однако центромеры растений и животных очень различаются, состоя, как правило, из мегабазных порядков коротких тандемных повторов. В отличие от ситуации с почкующимися дрожжами роль нуклеотидной последовательности ДНК в этих сложных центромерах неясна, поскольку известно, что полностью функциональные неоцентромеры образуются у человека спонтанно в эктопических сайтах , полностью лишенных последовательностей, похожих на центромерные повторы ( рис. 13.4 ). Эти и другие наблюдения говорят против прямой роли последовательности ДНК в определении локализации центромер.
Ключевое проникновение в идентичность и наследование центромер пришло в результате идентификации варианта гистона НЗ, CENP-A (рисунок в начале главы), который оказался специфически локализованным в центромерах и включенным в нуклеосомные частицы вместо самого НЗ ( Palmer et al., 1991 ). Замечательно, что CENР-A остается связанным с центромерами при переходе от гистонов к протаминам во время сперматогенеза, когда, в сущности, все другие гистоны утрачиваются ( Palmer et al., 1990 ). Это раннее наблюдение в исследовании CENP-A позволяет предполагать, что CENP-A вносит вклад в центромерную идентичность мужского генома. Общее значение этого факта не было полностью оценено, пока не осознали, что CENP-A является гораздо более хорошим маркером для центромер, чем нуклеотидная последовательность ДНК ( Amor et al., 2004а ), и что аналоги CENP-A можно найти в геномах всех эукариот ( рис. 13.5 ) ( Malik and Henikoff, 2003 ). Таким образом, хотя центромеры почкующихся дрожжей определяются по консенсусной последовательности длиной 125 п.о., это также сайт центромерной нуклеосомы, который содержит вариант Cse4 центромерного НЗ ( CenНЗ ). У дробянковых дрожжей ( Schizosaccharomyces pombe ) группа содержащих СеnНЗ нуклеосом занимает центральный коровый район центромеры, фланкированный содержащими НЗ нуклеосомами, обнаруживающими характерные черты гетерохроматина ( Amor et al., 2004а ). У мух и позвоночных CenH3s присутствуют в виде порядков [arrays], чередующихся с содержащими НЗ порядками, которые демонстрируют уникальный паттерн модификаций гистонов ( Sullivan and Karpen, 2004 ). Чередование может объяснять тот факт, что центромеры занимают лишь внешний край центромерной перетяжки метафазных хромосом (рисунок в начале главы). Это согласуется с наблюдением, что у "голокинетических" хромосом червей микротрубочки прикрепляются по всей длине каждой анафазной хромосомы, а СеnНЗ занимает ведущий край по всей ее длине ( рис. 13.5 , справа) ( Malik and Henikoff, 2003 ). Действительно, оказалось,что уникальный вариант СеnНЗ точно маркирует центромеру у всех изученных в этом отношении эукариот. Эта очевидная повсеместность и присутствие центромер для осуществления митоза у всех эукариот указывает на возможность происхождения первого канонического НЗ из СеnНЗ.
Генетические эксперименты на разных эукариотах подтвердили существенное значение СеnНЗ для формирования кинетохора и для расхождения хромосом ( Amor et al., 2004а ). Поскольку СеnНЗ-содержащие нуклеосомы остаются на месте на протяжении всего клеточного цикла, они образуют фундамент для сборки других кинетохорных белков во время митоза и мейоза. Чрезвычайно важным вопросом в исследованиях хромосом является вопрос о том, каким именно образом эти белки взаимодействуют, с тем чтобы обеспечить сцепление между центромерой и микротрубочками веретена, которое может противостоять сильным тянущим силам, прилагаемым к кинетохорам в анафазе. У дрожжей были идентифицированы несколько десятков специфичных для кинетохора белков, хотя то, каким образом они взаимодействуют с содержащими СеnНЗ нуклеосомами и другими базовыми белками, такими как CENP-C, в настоящее время неизвестно. Еще одним вызовом является расшифровка процесса сборки СепНЗ в нуклеосомы. Тот факт, что центромеры составляют такую маленькую долю всего хроматина, затруднило биохимические подходы к этой замечательной проблеме, но мы надеемся, что совершенствующиеся технологии приведут к лучшему пониманию структуры и динамики кинетохор.
Эволюция CenH3s не похожа на эволюцию гистонов любого другого класса. В то время как гистон НЗ инвариантен по последовательности, что отражает действие чрезвычайно сильного очищающего отбора на каждый остаток, CenH3s эволюируют быстро, особенно в линиях растений и животных ( Malik and Henikoff, 2003 ). Наиболее очевидным образом это демонстрируют аминотерминальные "хвосты", которые различаются по длине и последовательности до такой степени, что становится невозможным выравнивание CenH3s разных таксономических групп. Даже домен histone fold в СеnНЗ эволюирует на порядки быстрее, чем такой же домен НЗ. Какова же причина этого разительного эволюционного различия между НЗ, который функционирует в центромерах, и НЗ, который функционирует в других местах?
Быстро эволюирующие участки генов СеnНЗ Drosophila и Arabidopsis обнаруживают избыток нуклеотидных замен типа replacement nucleotide substitutions по сравнению с тем, что можно было бы ожидать исходя из скорости синонимических замен ( Malik and Henikoff, 2003 ). Этот избыток - признак адаптивной эволюции. Адаптивная эволюция у растений и животных видна также по еще одному главному центромерному фундаментальному белку [major centromere foundation protein], CENP-C ( Talbert et al., 2004 ). Хотя адаптивная эволюция хорошо документирована для генов, участвующих в генетических конфликтах (таких, как "гонка вооружений" между хозяином и паразитом), эти гены являются единственными известными существенными однокопийными генами, адаптивно эволюционирующими у любого организма. В случае СеnНЗ и CENP-C участки адаптивной эволюции соответствуют участкам связывания и "нацеливания" на ДНК. Это позволяет предполагать, что главные связывающиеся с центромерой белки адаптируются к эволюирующей центромерной ДНК, давая, таким образом, центромерному хроматину возможность взаимодействовать с консервативной кинетохорной машинерией, связывающей центромеру с микротрубочками веретена. Было высказано предположение, что центромеры конкурируют в ходе женского мейоза за включение в ядро яйцеклетки, чтобы не быть утраченными в составе полярных телец ( Talbert et al., 2004 ). Возникла бы "гонка вооружений", ведущая к экспансии центромер, вероятно путем неравного кроссинговера между сестринскими хроматидами. Подавление хозяином этого процесса мейотического драйва с помощью СеnНЗ и CENP-C приводило бы к избытку изменений типа замен в участках, взаимодействующих с ДНК. Организмы, для центромер которых нет возможности конкурировать, таких как почкующиеся дрожжи, не подвергались бы центромерному драйву, и это могло бы объяснить тот факт, что у них маленькие центромеры и их белки СеnНЗ и CENP-C находятся под действием сильного очищающего отбора.
Таким образом, мы видим, что специальный район генома, центромера, отличается одним классом вариантов гистонов, последовательности которых обнаруживают остатки "гонки вооружений", которая могла привести к чрезвычайной сложности центромер. Процесс RI -сборки, в каждом клеточном цикле "нацеливающий" новые нуклеосомы, содержащие СеnНЗ, на центромеры, остается неизвестным ( Amor et al., 2004а ). Центромерные нуклеосомы демонстрируют примечательное отсутствие специфичности по последовательности в том, что они не только могут надежно локализоваться на неоцентромерах, которые совершенно непохожи на нативные центромеры ( рис. 13.4 ), но и в том, что дрожжевой гомолог Cse4 может функционально замещать CENP-A человека ( Wieland et al., 2004 ) (ни один из них не является адаптивно эволюирующим; Talbert et al., 2004 ). Удивительно, что наши центромеры оставались в тех же самых положениях десятки миллионов лет без каких-либо очевидных детерминантов в виде специфических последовательностей, участвующих в поддерживающем их процессе. В той мере, в какой эпигенетика означает наследственность, не зависящую от нуклеотидных последовательностей ДНК, наследование центромер в масштабах геологического времени является наиболее крайней формой, какую только можно себе представить. Тем не менее, мы все еще ищем механизм, чтобы объяснить, каким образом они поддерживают себя на протяжении даже одного клеточного цикла (дальнейшее обсуждение этой темы см. в главе " Эпигенетическая регуляция хромосомного наследования хроматина ").
Смотрите также:
