Комбинаторика на уровне хроматина.
1. Конформация ДНК. В геномах эукариот преобладают некодирующие последовательности. Среди них важную роль играют нуклеотидные последова- тельности, образующие сайты связывания транскрипционных факторов. Из- вестно, что активность сайтов связывания определяются спецификой их взаи- модействий с регуляторными белками и зависят от конформационных/физико- химических свойств ДНК. Даже одиночные нуклеотидные замены способны существенно менять величину активности сайтов связывания — от полной ее потери до выраженного увеличения, а также приводить к появлению активных сайтов в ранее нефункциональной ДНК. У эукариот, по сравнению с прокарио- тами, конформационные/физико-химические свойства ДНК играют существен- но большую роль, так как у транскрипционного комплекса (состоит из опреде- ленного набора транскрипционных факторов), которые взаимодействуют со своими сайтами связывания, белками и между собой, значительно больше вре- мя существования, состав и размер, а, кроме того, ДНК эукариот имеет нуклео-
сомную упаковку. Элементами нуклеосомной упаковки ДНК являются корот- кие олигонуклеотиды, распределенные определенным образом вдоль нуклео- сомного сайта и определяющие конформационные свойства ДНК, оптимальные для взаимодействия с гистоновым октамером.
Хроматин не только обеспечивает высокую степень компактизации геном- ной ДНК в ядре, что критически значимо при больших размерах геномов эука- риот. Он является также важнейшим фактором регуляции транскрипции генов эукариот, обеспечивая, во-первых, «разметку» транскрипционно-активных уча- стков геномов, а во-вторых — изменяя порядок связывания/сродство транс- крипционных факторов с ДНК вследствие химических модификаций гистонов. Регуляция транскрипции генов требует особого расположения нуклеосом для обеспечения доступности функциональных сайтов ДНК определенным регуля- торным белкам, или, наоборот — для экранирования таких сайтов. Так, промо- торам генов домашнего хозяйства свойственна ослабленная нуклеосомная упа- ковка ДНК или ее полное отсутствие. По-видимому, это обеспечивает легкий доступ к промоторам белков базального транскрипционного комплекса, что не- обходимо для эффективной инициации транскрипции. Напротив, промоторы тканеспецифических генов, как правило, характеризуются сильной нуклеосом- ной упаковкой ДНК. Ее разрушение требует перестройки хроматина, ограничи- вая эффективность транскрипции, но, с другой стороны, специфическая моди- фикация гистонов облегчает формирование из общего пула транскрипционных факторов тканеспецифичного транскрипционного комплекса на регуляторных районах данного гена. Статус хроматина определяется состоянием клетки и может меняться в ходе ее функционирования. В области энхансера гена уте- роглобина в клетках слизистой оболочки матки кролика, в репрессированном состоянии расположен массив нуклеосом (N...), препятствующий связыванию транскрипционных факторов с ДНК. При гормональной индукции прогестеро- ном (PR) нуклеосомный массив разрушается под действием транскрипционно- го фактора NF-Y и энхансер становится доступен для взаимодействия с други- ми транскрипционными факторами (рисунок 6).
 |
Рис. 6. Механизм регуляции транскрипции генов эукариот за счет нуклео- сомной упаковки ДНК.
Экзон-интронная структура свойственна большинству расшифрованных ге- нов эукариот. Замечательно, что интроны не являются генетически инертной ДНК, так как содержат большое разнообразие регуляторных элементов, влияющих на экспрессию генов — сайты связывания транскрипционных фак- торов, энхансеры, альтернативные промоторы, сайты метилирования и т.д. По- казано, что интроны обладают более высоким потенциалом формирования нук- леосом по сравнению с функционально более нагруженными экзонами. Предполагается, что само по себе возникновение мозаичной структуры генов связано с нуклеосомной упаковкой ДНК. Нуклеосомная упаковка геномной ДНК требует формирования нуклеосом в среднем на расстоянии 150-250 п.о. Кодирующие последовательности, не удовлетворяющие этим условиям, могли быть разделены интронами.
В настоящее время в рамках эпигенетики и протеомики изучаются меха- низмы модификации ДНК и хроматина, в которых участвуют ДНК, РНК, белки, а также химические группы, модифицирующие нуклеотиды или аминокислоты (табл. 2).
Таблица 2. Некоторые механизмы эпигенетической наследственности
| Механизм | Эффект |
| Метилирование ДНК | Репрессия генов: тканеспецифичная, онтогенез- специфичная, родитель-специфичная (геномный импринтинг млекопитающих), аллель-специфичная (парамутации); репрессия и деградация экзоДНК; гетерохроматинизация. |
| Метилирование лизи- нов в гистонах | Репрессия (Н1, НЗ-К9, НЗ-К27, Н4-К20)/активация транскрипции (НЗ-К4, НЗ-79); изменение паттерна ацетилирования и фосфорилирования гистонов. |
| (Де)ацетилирование, (де)фосфорилирование, (де)убиквитинирование гистонов | Тканеспецифичная, онтогенез-специфичная ре- прессия/ активация генов за счет изменения нук- леосомной упаковки ДНК и сродства с ДНК хро- матина транскрипционных факторов; гетерохроматинизация. |
| Варьирование гистон- ного состава нуклео- сом | Репрессия генов: тканеспецифичная, онтогенез- специфичная, родитель-специфичная (геномный импринтинг млекопитающих); репрессия экзоДНК; деградация экзоРНК; перестройка хромосомной организации генома (ядерный дуализм инфузорий); «концертная регуляция» генов. |
| РНК-интерференцня (RISC) | Репрессия генов, изменение паттерна метилирова- ния генов, прицентромерная репрессия (дрожжи), различные модификации хроматина, элиминация ДНК, LTR-репрессия; гетерохроматинизация. |
| РНК-интерференция (non-RISC) | Тканеспецифичная, онтогенез-специфичная, роди- тель-специфичная (геномный импринтинг млеко- питающих) репрессия/активация генов путем из- менения нуклеосомной разметки ДНК, паттернов метилирования генов и ацетилирования гистонов; гетерохроматинизация, общая, сайт-специфичная, онтогенез-специфичная репрессия/активация ге- нов; LTR-репрессия, «концертная регуляция» ге- нов; гетерохроматинизация; преодоление мейоти- ческого барьера эпигенетическими механизмами |
Примечание: идентичные эффекты для разных механизмов указывают на их взаимодействие
У эукариот существуют специальные механизмы перестройки структуры хроматина (remodeling), меняющие нуклеосомную «разметку» ДНК в зависи- мости от дифференцировки и функционального состояния клетки. Ремоделлинг хроматина — не только важнейший фактор регуляции экспрессии генов, но и механизм кодирования эпигенетических эффектов. Например, образование сег- ментов тела у D. melanogaster зависит от белков семейств Polycomb, Polyhomeotic и Tritorax (кодируются Нох-генами). Белки этих семейств ответ- ственны за модификацию структуры хроматина.У плацентарных млекопита- ющх белки семейства Polycomb участвуют также в поддержании геномного импринтинга, обеспечивающего родитель-специфичную инактивацию одной из копий генов диплоидного организма, предотвращая партеногенез. Сложное и еще не до конца изученное явление геномного импринтига хорошо иллюстри- рует явление взаимодействия различных эпигенетических механизмов. В нем участвуют механизмы метилирования ДНК, модификации гистонов и, возмож- но, РНК-интерференция. Такое взаимодействие требует однозначного соответ- ствия различных эпигенетических механизмов. Изменение соответствия (на- пример, в силу мутации в сайте ДНК, несущем эпигенетическую метку) может изменить всю картину регуляции экспрессии. Например, при одинаковом уров- не метилирования импринтированный ген GrblO мыши проявляет материнскую экспрессию, а гомологичный ему GRB10 человека экспрессируется в геноме обеих полов, что, вероятно, связано с мутацией, изменившей узнавание одина- ковых эпигенетических меток. Интересно, что реакция некоторых белков эпи- генетической машины на подобные мутации может зависеть от предыстории клеток. Так, хроматиновый белок CTCF связывается с метилированными ICR (imprinting control region), изменяя экспрессию генов. Мутации в ICR, меняю- щие картину метилирования, влияют на связывание CTCF лишь в клетках, прошедших материнский мейоз. В митотических и отцовских половых клетках такие мутации никак не проявляются.
Выше отмечено, что экзон-интронная структура облегчает как комбинатор- ную блочно-модульную эволюцию генов, так и тонкую регуляцию их экспрес- сии и свойств кодируемых ими белков за счет комбинаторики блоков альтерна- тивного сплайсинга и считывания с альтернативных стартов транскрипции и трансляции. На такую «первичную» блочно-модульную структуру ДНК у эука-
риот накладывается «вторичная» блочно-модульная структура хроматина — доменная организация хромосом.
Хромосомы эукариот состоят из последовательно расположенных вдоль их оси форум-доменов, которые служат единицами хромосомной эпигенетической репрессии. Примечательно, что у далеких в систематическом отношении орга- низмов длина форум-доменов варьирует лишь в 4 раза (50-200 тыс.п.о.), а в макронуклеусе инфузорий им соответствуют хромосомные фрагменты. Выше- отмеченные белки ремоделлинга (Polycomb, Polyhomeotic, tritorax и др.) связы- ваются с хроматином преимущественно на границах форум-доменов, где по- вышена концентрация их сайтов связывания. С этими границами также часто ассоциированы островки интеркалярного гетерохроматина, «ломкие» районы хромосом, микросаттелитные последовательности и сайты посадки мобильных элементов. Поскольку гены миРНК (по крайней мере, у человека) также часто расположены в «ломких» районах хромосом, есть основания предполагать, что вся эпигенетическая машина так или иначе связана с границами форум- доменов.
Иными словами, блочно-модульный принцип организации пронизывает как генетическую (ДНК), так и эпигенетическую (хроматин) структуру генома эу- кариот. При блочно-модульной эволюции генов происходит также блочно- модульная перетасовка их эпигенетической разметки. В свою очередь, эпигене- тическая разметка, связанная с образованием «ломких» районов хромосом, об- легчает блочно-модульную эволюцию геномов за счет дупликаций, делеций и транслокаций. Комбинаторика на одном уровне облегчает комбинаторику на другом и наоборот! При этом тонкая индивидуальная регуляция генов эукариот (в отличие от оперонной организации у прокариот) облегчает эволюционную оптимизацию регуляции в таких перестроенных геномах. Действительно, ге- номные проекты показывают, что у прокариот наиболее консервативные рай- оны генома либо насыщены оперонами, либо имеют аномально высокую кон- центрацию длинных оперонов. Уникальные и наиболее быстро эволюционирующие гены, напротив, сконцентрированы в коротких оперонах, часто локализуясь вблизи горячих точек рекомбинации. Интересно, что в число таких точек входят точки инициации и терминации репликации. Возможно, это является одной из причин унирепликонной организации генома прокариот. О высокой скорости эволюции таких районов говорит и тяготение к ним генов, кодирующих белки, работающие на мембране или в примембранном простран- стве. Контактируя с внешней средой, такие белки должны оперативно отслежи- вать ее изменения, то есть быть эволюционно лабильными. В этих же районах повышена концентрация генов с аномальным нуклеотидным составом, что го- ворит об их возможном горизонтальном переносе. Действительно, «чужой» ген даст адаптивное преимущество лишь встроившись под оптимальный промотор, что маловероятно в геноме с длинными оперонами. Возможно именно «рых- лая» структура геномов эукариот могла необратимо направить в ходе симбио- генеза вектор горизонтального переноса от бактерий-симбионтов в ядро. В ито- ге, клетке эукариот удалось стабилизировать состав эндосимбионтов путем облигатного перемещения их жизненно важных генов в ядро и формирования
из них и собственных генов системы централизованной регуляции совокупного метаболизма. В прокариотических сообществах (биопленках, матах и др.) фор- мирование такой централизованной регуляции затруднено, так как горизон- тальный перенос может с равной вероятностью идти во всех направлениях. Бо- лее того, полногеномные исследования показали, что в ходе горизонтального переноса прокариотические клетки могут служить своеобразными «проточны- ми емкостями» для потока генов. Поэтому регуляция совокупного метаболизма в прокариотических сообществах идет путем адаптивной динамики, что равно- сильно микроэволюционным процессам в популяциях эукариот и требует большой численности организмов, невозможной при эндосимбиозе.
Таким образом, оперонная структура, оптимизируя регуляцию, формирует свой вектор эволюции, ослабляя эволюционную лабильность и тем самым пре- пятствуя кардинальному усложнению генома. Развитие блочно-модульного принципа организации генома, возможно, первоначально связанное с необхо- димостью компактизации большого количества ДНК эукариот, в ходе эволю- ции вылилось в формирование сложной иерархизированной системы укладки ДНК в структуры хроматина (нуклеосомные, соленоидные, петлевые, форум- доменные). Формирование таких структур, в свою очередь, потребовало разви- тия «некодирующих» последовательностей (интроны, повторы, SAR и др.), ко- торые сами явились границами новых блоков генома, предоставляя новые воз- можности как для комбинаторной эволюции, так и для оптимальной регуляции генома. Представляется, что возникновение у эукариот комбинаторных меха- низмов регуляции транскрипции, экзон-интронной структуры, механизмов аль- тернативного сплайсинга и эпигенетических механизмов, создали основу для исключительно эффективного способа кодирования огромного разнообразия вариантов одного и того же белка, сделало ненужным дальнейшее радикальное увеличение их геномов. Это эволюционное приспособление, позволяющее эу- кариотам фактически безгранично наращивать сложность генетических про- грамм экспрессии индивидуальных генов без необходимости существенного увеличения размеров геномов. Возможно, этим частично и объясняется замо- раживание сложности геномов эукариот по числу содержащихся в них генов на уровне 15000—30000. Количество генов в геномах значительной части видов растений, беспозвоночных и млекопитающих попадает в этот интервал, не- смотря на огромные различия в морфологической сложности этих организмов, в механизмах их онтогенеза и адаптации к изменениям окружающей среды.
Дата добавления: 2022-07-02; просмотров: 27; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!