Хроматин и его специфическая регуляция экспрессии генов

 

 

Рис. 11. Формирование единого активаторного комплекса

На примере домена а-глобиновых генов кур показано, как активация домена отражается на его пространственной организции. Домен а-глобино- вых генов кур (А) включает три гена — эмбриональный п и взрослые aD и аА. Помимо генов, в состав домена входят регуляторные элементы: главный регуляторный элемент (MRE — main regulatory element, аналог области контроля локуса), участок гиперчувствительности к ДНКазе, расположенный на расстоянии 9 т. п. н. перед геном п («-9» HS), CpG-островок и энхансер (enh), расположенный после гена оР. В не-эритроидных клетках взаимодействий между различными функциональными элементами домена практически нет (Б). В не- дифференциированных предшественниках эритробластов наблюдаются отдельные взаимодействия между некоторыми элементами, причем возможно несколько вариантов таких взаимодействий (В). Наконец, в зрелых эритробластах практически все регуляторные элементы, наряду с промоторами транскрибируемых генов, объединены в структуру, получившую название «хроматиновый хаб» (chromatin hub) (Г). Стрелками показано направление транскрипции работающих генов.

        В последние годы активно обсуждается модель, связывающая активацию транскрипции с перемещением гена из неактивного в активный ядерный компартмент. Примером активного компартмента могут служить PML-тельца. Это небольшие компартменты, содержащие PML-белки и ряд транскрипционных факторов, наиболее активные генные домены выпетливаются из хромосомных территорий. Показано, что при этом они перемещаются к PML-тельцам, что, по-видимому, способствует активации транскрипции. Область, прилежащая к ядерной оболочке, и области, прилежащие к конститутивному (например, прицентромерному) гетерохроматину, являются неактивными компартментами. Предполагается, что простое перемещение генов в эти компартменты приводит к их долговременной инактивации. В модельном эксперименте показано, что активный трансген, поставленный под контроль сильного энхансера, локализуется в эухроматине. Трансген без энхансера локализуется рядом с центромерными областями хромосом (рис 12,приложение 2 ). Следует подчеркнуть, что речь идет не об интеграции трансгена в эухроматиновую или гетерохроматиновую область хромосомы, а просто о размещении соответствующего хромосомного домена внутри ядра. Существует целый ряд экспериментальных данных, свидетельствующих о том, что локализация в ядре многих тканеспецифичных генов зависит от их транскрипционного статуса. С помощью флуоресцентной гибридизации in situ было продемонстрировано, что в эритроидных клетках глобиновые гены располагаются далеко от конститутивного гетерохроматина, тогда как в неэритроидных они практически контактируют с конститутивным гетерохроматином. В лимфоидных клетках целый ряд генов инактивируется при участии белка «Ikaros». Эта инактивация коррелирует с перемещением соответствующих генов в один из прицентромерных компартментов. Белок Ikaros, по-видимому, играет важную роль в этом перемещении, так как, с одной стороны, на ДНК  имеются участки узнавания Ikaros, а с другой стороны, Ikaros способен образовывать комплексы с прицентромерным гетерохроматином.

     Важную роль в познании механизма действия энхансеров сыграли работы по изучению механизма переключения экспрессии β-глобиновых генов. У человека этот кластер состоит из пяти родственных генов, один из которых (ε) экспрессируется на ранней эмбриональной стадии, два других (°у и Ау) экспрессируются на поздней эмбриональной стадии и, наконец, гены σ и β экспрессируются в клетках взрослого организма. Расположение генов в домене (начиная от области контроля локуса) соответствует порядку их активации по ходу развития эмбриона. Наиболее интересным представляется тот факт, что экспрессия всех этих генов контролируется одной и той же группой энхансеров, расположенных в области контроля локуса (LCR). Было высказано предположение, что активация транскрипции того или иного из β-глобиновых генов напрямую зависит от установления прямого физического контакта между промотором этого гена и LCR. Понятно, что вероятность установления такого контакта обратно пропорциональна расстоянию между геном и LCR. Иными словами, просто в силу своей близости к LCR эмбриональный ген ε должен транскрибироваться предпочтительно по сравнению с другими β-глобиновыми генами. Эффективная транскрипция последних будет возможна лишь после принудительного выключения гена ε с помощью некоего отличного от LCR контрольного механизма. Сформулированная гипотеза, которую можно назвать «пространственно-статистической» моделью активации транскрипции β-глобиновых генов, позволила сделать несколько предположений, и они были проверены экспериментально. Прежде всего, процесс активации индивидуальных глобиновых генов должен носить статистический характер. Следовательно, в популяции эмбриональных эритроидных клеток, экспрессирующих преимущественно глобиновый ген ε, должно присутствовать определенное количество клеток, экспрессирующих другие глобиновые гены. При этом в некий фиксированный момент времени на каждой из хромосом может экспрессироваться только один из глобиновых генов (ген, промотор которого находится в комплексе с LCR). Это предсказание оказалось вполне справедливым лишь в случае домена β-глобиновых генов мыши. В эмбриональных эритроидных клетках человека гены «взрослых» глобинов вообще не экспрессировались. Другое предсказание, которое можно сделать на основании «пространственно-статистической» модели функционирования LCR, состоит в том, что любое изменение позиции гена (перестановка генов, внедрение дополнительных копий генов и изменение протяженности межгенных спейсеров) в домене, находящемся под контролем LCR, должно существенным образом влиять на характер экспрессии всех генов в домене (в том числе и на время активации транскрипции различных генов по ходу развития организма). В случае домена β-глобиновых генов человека это предсказание было подтверждено результатами экспериментов с трансгенными мышами, в геном которых были внедрены перестроенные копии данного домена. Наиболее показательными можно считать результаты эксперимента, в котором были изменены относительные позиции генов ε (эмбриональный ген) и β (ген, экспрессирующийся в эритроидных клетках взрослого организма). После инверсии всего кластера β-глобиновых генов относительно LCR ген β оказывается расположенным ближе всего к LCR, тогда как ген е, напротив, оказывается наиболее удаленным от LCR. При такой конфигурации домена в эмбриональных эритроидных клетках трансгенных мышей экспрессируется ген β, а эмбриональный ген ε остается неактивным. Этот результат позволяет утверждать, что конкуренция за LCR является важным элементом механизма регуляции экспрессии β-глобиновых генов. Понятно, однако, что переключение экспрессии глобиновых генов в эмбриогенезе не может быть объяснено только конкуренцией промоторов индивидуальных генов за доступ к LCR. Должны существовать дополнительные регуляторные системы, инактивирующие эмбриональные гены и активирующие гены взрослого организма. Здесь, скорее всего, работает механизм создания активных субдоменов при участии связанного с транскрипцией ацетилирования гистонов. Как уже говорилось, уровень ацетилирования гистонов в границах домена β-глобиновых генов существенно различается (рис.6 ). Наиболее высокий уровень ацетилирования характерен для области контроля локуса и для той группы глобиновых генов (эмбриональные, либо взрослые), которые транскрибируются в данном типе клеток.

      Наряду с энхансерами, в геноме эукариот присутствуют сайленсеры, которые подавляют активность находящегося под их контролем промотора. Принцип действия сайленсеров, по-видимому, мало отличается от принципа действия энхансеров. Как и энхансеры, сайленсеры представляют собой площадки связывания транскрипционных факторов. Именно последние определяют направление действия регуляторного элемента (активация транскрипции либо ее подавление). Одни и те же регуляторные элементы могут быть энхансерами в одном типе клеток и сайленсерами в другом типе клеток. Классическим примером является LCR-домена β-глобиновых генов, который активирует экспрессию находящихся под его контролем генов в эритроидных клетках и подавляет экспрессию тех же генов в неэритроидных клетках.

 

Заключение

     Хроматин уже давно перестал быть аморфной массой и предстал перед глазами исследователей в виде достаточно упорядоченной структуры, построенной по иерархическому принципу.

           Для активной фракции хроматина характерна менее компактная упаковка, чем для основной массы хроматина, о чем свидетельствует, в частности предпочтительная чувствительность активного хроматина к нуклеазам. Активный хроматин отличается от неактивного как на уровне организации нуклеосомной фибриллы в структуры высших порядков, так и на уровне организации индивидуальных нуклеосом. Для активного хроматина характерны высокий уровень ацетилирования гистонов в целом.

        Важную роль в регуляции инициации транскрипции у эукариот играет процесс освобождения промотора от нуклеосом.

          Энхансеры существенны как для создания активного хроматинового домена, так и для поддержания стабильности инициаторного комплекса РНК-полимеразы II.

         Энхансеры участвуют в образовании единого инициаторного комплекса с промотором. При этом разделяющая энхансер и промотор хроматиновая фибрилла выпетливается.

         Один и тот же регуляторный элемент может быть энхансером и сайленсером в зависимости от набора связанных с этим элементом белковых факторов.

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

 

1.Хроматин: упакованный геном / С. В. Разин, А. А. Быстрицкий. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012.— 176 с.: ил., [16] с. цв. вкл.

2. Экспрессия генов / Патрушев Л.И. – М.: Наука, 2000.

 

 

 

\

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение 1.

 

 

Рис. 3 Модель октамера гистонов

На рисунке представлена молекулярная модель нуклеосомы (А) и октамера гистонов (Б) в трех разных ракурсах.Разные молекулы гистонов обозначены следующими цветами: Н2А — красный и коричневый, Н2В — изумрудный и зеленый. НЗ — розовый и серый. Н4 — синий и оранжевый. «Хвосты» молекул гистонов показаны не полностью.

 

 

Приложение 2.

Рис 12. Активность локуса и его внутриядерная локализация.

На рис. показаны результаты визуализации интегрированной в геном трансгенной конструкции в ядрах эритроидных клеток. Для гибридизации с трансгеном использовался зонд, меченный зеленым красителем; красным красителем помечен зонд, позволяющий визуализировать все центромеры (этот зонд гибридизуется с центромерами всех хромосом). Синяя флуоресценция — краситель DAPI, неспецифически окрашивающий тотальную ДНК. Позиции трансгенов отмечены белыми стрелками. Конструкция, в состав которой входит только ген β-глобина (А), локализуется преимущественно возле центромер. Так как центромеры содержат гетерохроматин, то и трансген оказывается гетерохроматинизирован и репрессирован. Включение же в конструкцию энхансера HS2 из области контроля локуса β-глобинового домена (Б) приводит к тому, что такой трансген локализуется преимущественно в эухроматических областях ядра. Никакой гетерохроматинизации не происходит и трансген активно экспрессируется.

Важно, что во всех рассмотренных клетках трансгенные конструкции интегрированы в одно и то же место генома. Таким образом, разница в локализации обусловлена только свойствами самой конструкции (т. е. присутствием либо отсутствием в ее составе мощного энхансера).