Белки Silent Information Regulator ( SIR ) участвуют в регуляции экспрессии генов. Белки SIR организуют гетерохроматин вблизи теломер , [1] рибосомальной ДНК (рДНК) , [2] и в молчащих локусах, включая скрытые локусы типа спаривания у дрожжей. [3] [4] Семейство генов SIR кодирует каталитические и некаталитические белки, которые участвуют в деацетилировании гистоновых хвостов и последующей конденсации хроматина вокруг каркаса белка SIR. [5] Некоторые члены семейства SIR сохранились от дрожжей до человека.
Белки SIR были идентифицированы во многих скринингах и исторически были известны как SIR [3] (молчаливый регулятор информации ) , MAR [ 6 ] ( регулятор типа спаривания ) , STE [7] ( стерильный ) , CMT [8] ( изменение типа спаривания ) или SSP [9] ( стерильный подавитель ) в зависимости от того, какой скрининг привел к их идентификации . В конечном итоге, название SIR оказалось наиболее устойчивым, поскольку оно наиболее точно описывает функцию кодируемых белков. [ необходима цитата ]
Один из ранних скринингов дрожжей для идентификации генов SIR был выполнен Анитой Хоппер и Бенджамином Холлом, которые провели скрининг с помощью мутагенеза для аллелей, которые позволяют споруляцию в обычном гетероталличном α/α с дефицитом споруляции ( ho/ho MATα/MATα ). Их скрининг выявил мутацию в новом гене, который не был связан с HO , что позволило диплоиду α/α спорулировать, как если бы он был диплоидом α/a, и сделал вывод, что мутация повлияла на изменение типа спаривания с помощью HO -независимого механизма. [8] Позже было обнаружено, что аллель CMT, идентифицированный Хоппер и Холлом, не вызывал конверсию типа спаривания в локусе MAT, а скорее позволял экспрессировать криптические гены типа спаривания, которые подавляются в дрожжах дикого типа. [4] В своей статье, разъясняющей механизм мутации CMT, Хабер и признают вклад Амара Клара , который представил свои штаммы мутантов MAR, которые имели схожие свойства с мутантами CMT, на конференции по генетике дрожжей в лаборатории Cold Spring Harbor , что привело Хабера и к рассмотрению гипотезы о том, что мутанты cmt могут действовать путем дерепрессии молчащей информации. [10]
В том же году, когда Хабер и др. продемонстрировали, что мутант cmt восстанавливает споруляцию путем де-репрессии скрытых локусов типа спаривания, две другие группы опубликовали скрининги генов, участвующих в регуляции кассет молчаливого типа спаривания. [6] Первое исследование, проведенное Амаром Кларом, Сеймуром Фогелем и Кэти Маклеод, выявило мутацию в спонтанном диплоиде a/a, которая привела к тому, что продукты споруляции стали гаплоидами с очевидным диплоидным фенотипом, что было оценено по способности к спариванию. [6] Авторы предположили, что мутация вызвала де-репрессию недавно оцененных тогда молчаливых локусов типа спаривания HMa и HMα, что позволило бы диплоиду a/a спорулировать и заставило бы гаплоидные сегреганты, унаследовавшие мутантный аллель, вести себя как диплоиды a/α, несмотря на то, что они гаплоидны. [6] Авторы назвали мутацию MAR из-за ее очевидной роли в регуляции типа спаривания и смогли сопоставить мутацию с хромосомой IV, а также определили, что она расположена на расстоянии 27,3 сМ от широко используемого маркера trp1 . [6]
Несколько месяцев спустя Джаспер Райн и Айра Херсковиц опубликовали другой скрининг генов, которые влияют на способность дрожжей к спариванию , и в конечном итоге открыли семейство генов, которое они назвали SIR, название, которое осталось в современном языке. [3] В отличие от скрининга Клара и др., который идентифицировал мутанта по его неспособности к спариванию, Райн и Херсковиц использовали более направленный подход к обнаружению факторов, ответственных за подавление типа спаривания. В частности, Райн и Херсковиц рассудили, что гаплоидная дрожжевая клетка с рецессивной мутацией в matα1 может быть дополнена, если молчаливая копия MATα будет дерепрессирована. Начав с гаплоидного штамма ho matα1 , Райн и Херсковиц провели скрининг мутантов, возникающих в результате мутагенеза, и идентифицировали пять мутантов, которые восстанавливали фенотип MATα в клетках matα, но не были связаны с локусом MAT и не вызывали генной конверсии между локусом HMα и matα. [3] По их мнению, эти мутанты были особенно дефектны в подавлении генов скрытого типа спаривания.
В конце концов, все мутанты, полученные в результате первоначального скрининга Хоппера и Холла, а также более позднего скрининга Райна и Герсковица и скрининга Клара и др., были охарактеризованы и картированы, и было показано, что причинные гены были одними и теми же. [11] Фактически, гены, которые сейчас называются SIR1-4, когда-то назывались MAR, CMT или STE в зависимости от скрининга, который идентифицировал мутантов.
Хотя Клар, Хартвелл и Хоппер идентифицировали мутации в генах SIR и присвоили генам другие названия до того, как Райн провел свой скрининг, название SIR в конечном итоге было принято, поскольку Райн в конечном итоге идентифицировал наиболее полный набор функционально связанных генов (SIR1-4), а также поскольку работа Райна и Херсковица наиболее точно описала функцию генов семейства SIR. [11] Позже было показано, что у дрожжей и высших организмов белки SIR важны для регуляции транскрипции многих доменов хроматина.
В почкующихся дрожжах белки SIR находятся в локусах молчаливого типа спаривания, теломерах и в локусе рДНК. В локусах молчаливого типа спаривания и в теломерах белки SIR участвуют в транскрипционном подавлении генов в пределах их домена локализации. В локусе рДНК белки SIR, как полагают, в первую очередь важны для подавления рекомбинации между повторами рДНК, а не для подавления транскрипции. [12]
При транскрипционном сайленсинге SIR2,3,4 требуются в стехиометрических количествах для сайленсинга определенных хромосомных регионов. У дрожжей белки SIR связываются с сайтами на хвостах нуклеосом и образуют мультимерное соединение SIR2,3,4, которое конденсирует хроматин и, как полагают, физически закрывает промоторы в интервале сайленсинга, предотвращая их взаимодействие с транскрипционным аппаратом. [12] Установление доменов гетерохроматина, подавленных SIR, представляет собой сложный процесс, который включает различные подмножества белков и регуляторных белков в зависимости от локуса в геноме. [ 12] В локусах типа молчащего спаривания и на теломерах дрожжей факторы транскрипции Abf1 ( фактор связывания ARS ) и Rap1 ( белок репрессора- активатора ) ассоциируются со специфическими нуклеотидными последовательностями в сайленсерах, которые фланкируют гетерохроматиновые регионы. [13] Rap1 содержит домен связывания Sir3 , который привлекает SIR3 к сайленсерам. [14] Достигнув сайленсеров, Sir3 рекрутирует димеры Sir4-Sir2 к месту зарождения хроматина. Затем Sir2 деацетилирует хвосты гистонов H3 и H4, а свободный Sir3 связывает теперь уже деацетилированные остатки лизина H4K16,79 и рекрутирует дополнительные димеры Sir4-Sir2, способствуя дальнейшему распространению гетерохроматинового домена. [12]
После того, как он распространился и покрыл геномный локус, SIR2,3,4 эффективно предотвращает транскрипцию из области, которую он занимает, в процессе, который, как полагают, зависит от физической окклюзии ДНК белками SIR. Недавно было показано, что некоторые промоторы способны направлять транскрипцию внутри областей, которые в противном случае подавляются белками SIR. [15] В частности, если индуцируемый промотор индуцируется внутри молчащего домена хроматина, он может достичь ~200-кратного увеличения уровней экспрессии с небольшим обнаруживаемым изменением в ковалентных модификациях гистонов . [15]
SIR2 — это НАД-зависимая лизиндеацетилаза. [12] Это был первый обнаруженный член семейства белков сиртуинов, и он высококонсервативен, его гомологи обнаружены у организмов от людей до бактерий [16] и архей. [12] Он взаимодействует с различными белковыми субстратами, но не проявляет сильного сродства к ДНК, хроматину или другим факторам, связывающим сайленсер. [12] Вместо этого он полагается на другие белки SIR, чтобы найти подходящую цель для сайленсинга. [12]
В комплексе белка SIR, SIR2 удаляет ацетильные группы из лизина на хвостах гистонов H3 и H4, [17] «подготавливая» нуклеосому к упаковке хроматина компонентом комплекса SIR3. [18]
Помимо своей канонической роли в комплексе SIR, SIR2 также играет роль в репрессии рДНК. [19] Как часть механизма регуляции клетки, повторы рДНК вырезаются из хромосомы, поэтому они не могут быть экспрессированы. SIR2 образует комплекс с NET1 (ядерным белком) и CDC14 (фосфатазой), образуя регулятор ядрышкового сайленсинга и комплекса телофазы (RENT). [ 19] Комплекс RENT изолирует вырезанную рДНК в «внехромосомных кругах», предотвращая рекомбинацию. Накопление этих кругов было связано с преждевременным старением. [12] Сиртуин 2 (SIRT2) , человеческий аналог SIR2, также был связан с возрастными заболеваниями. [16]
SIR3 в основном участвует в распространении гетерохроматина, подавлении активности белкового комплекса SIR. [12] При сверхэкспрессии SIR3 приводит к распространению за пределы нормального места зарождения. [12] SIR3 может продолжать работать при очень низких уровнях SIR2 и SIR4, но не без них. [17] [18] Он преимущественно связывается с немодифицированными нуклеосомами (без ацетилирования в H4K16 или метилирования в H3K79) и полагается на деацетилирование H4K16 SIR2 для усиления подавления. [18] Метилирование H3K79 метилтрансферазой DOT1 ингибирует SIR3, что приводит к незаглушенной области хроматина. [17] [18] SIR3 привлекается к целевой последовательности факторами транскрипции RAP1 или ABF1. [12] [17]
SIR4 участвует в формировании каркаса сборки молчащего хроматина. [12] [19] Он связывается с ДНК с высокой аффинностью, но низкой специфичностью. [19] Он наиболее стабилен при совместной экспрессии с SIR2, но ни SIR2, ни SIR3 не требуются для его работы на теломерах. [12] Каждая половина белка SIR4 имеет различные обязанности в распространении гетерохроматина. N-конец SIR4 необходим для теломерного молчания, но не для молчания гомоталличного типа спаривания (HM). [12] И наоборот, его C-конец поддерживает HM, но не теломерную репрессию. [12] N-конец положительно заряжен и может быть привлечен к сайту теломерной репрессии с помощью SIR1 и YKU80. [12] C-конец содержит спирально-спиральный регион, который взаимодействует с SIR3 в гетеротримерном комплексе SIR, а также может взаимодействовать с RAP1 и YKU70 для привлечения в теломерный регион хромосомы. [17] C-конец также содержит домен взаимодействия с SIR2 (SID), где SIR4 может связываться с расширенным N-концом SIR2. [12] SIR2 может катализировать реакции, не будучи связанным с SIR4, но каталитическая активность SIR2 усиливается при взаимодействии с SIR4. [12]
Белки SIR сохранились от дрожжей до людей и дали свое название классу гистондеацетилаз млекопитающих ( сиртуины , гомологи Sir2). Сиртуины были вовлечены в бесчисленное множество человеческих черт, включая болезнь Альцгеймера и диабет, и были предложены для регулирования продолжительности жизни. [16]