stringtranslate.com

Гетерохроматин

Гетерохроматин — это плотно упакованная форма ДНК или конденсированной ДНК , которая существует в нескольких разновидностях. Эти разновидности лежат в континууме между двумя крайностями конститутивного гетерохроматина и факультативного гетерохроматина . Оба играют роль в экспрессии генов . Поскольку он плотно упакован, считалось, что он недоступен для полимераз и, следовательно, не транскрибируется; однако, согласно Volpe et al. (2002), [1] и многим другим работам, [2] большая часть этой ДНК на самом деле транскрибируется, но она непрерывно оборачивается посредством РНК-индуцированного транскрипционного сайленсинга (RITS). Недавние исследования с использованием электронной микроскопии и окрашивания OsO 4 показывают, что плотная упаковка не связана с хроматином. [3]

Конститутивный гетерохроматин может влиять на гены, расположенные рядом с ним (например, позиционная мозаичность ). Обычно он повторяется и формирует структурные функции, такие как центромеры или теломеры , а также действует как аттрактор для других сигналов экспрессии или репрессии генов.

Факультативный гетерохроматин является результатом генов, которые подавляются посредством такого механизма, как деацетилирование гистонов или Piwi-взаимодействующая РНК (piRNA) через РНКi . Он не повторяется и разделяет компактную структуру конститутивного гетерохроматина. Однако под воздействием специфических сигнальных сигналов развития или окружающей среды он может потерять свою конденсированную структуру и стать транскрипционно активным. [4]

Гетерохроматин связан с ди- и триметилированием H3K9 в определенных частях человеческого генома. [5] Метилтрансферазы, связанные с H3K9me3 , по- видимому , играют ключевую роль в модификации гетерохроматина во время определения линии в начале органогенеза и в поддержании верности линии. [6]

Структура

Гетерохроматин против эухроматина

Хроматин встречается в двух разновидностях: эухроматин и гетерохроматин. [7] Первоначально эти две формы цитологически различались по интенсивности окрашивания — эухроматин менее интенсивен, в то время как гетерохроматин окрашивается интенсивно, что указывает на более плотную упаковку. Гетерохроматин получил свое название по этой причине от ботаника Эмиля Хайца, который обнаружил, что гетерохроматин остается темно окрашенным на протяжении всего клеточного цикла, в отличие от эухроматина, окраска которого исчезает во время интерфазы. [8] Гетерохроматин обычно локализуется на периферии ядра . Несмотря на эту раннюю дихотомию, недавние данные как у животных [9], так и у растений [10] свидетельствуют о том, что существует более двух различных состояний гетерохроматина, и на самом деле он может существовать в четырех или пяти «состояниях», каждое из которых отмечено различными комбинациями эпигенетических меток.

Гетерохроматин в основном состоит из генетически неактивных сателлитных последовательностей , [11] и многие гены репрессированы в различной степени, хотя некоторые вообще не могут быть экспрессированы в эухроматине. [12] И центромеры , и теломеры являются гетерохроматическими, как и тельце Барра второй, инактивированной X-хромосомы у самки.

Функция

Общая модель дупликации гетерохроматина во время деления клетки
Микроскопия гетерохроматиновых и эухроматиновых ядер ( окраска гематоксилином и эозином ).

Гетерохроматин связан с несколькими функциями, от регуляции генов до защиты целостности хромосом; [13] некоторые из этих ролей можно отнести к плотной упаковке ДНК, что делает ее менее доступной для белковых факторов, которые обычно связывают ДНК или связанные с ней факторы. Например, голые двухцепочечные концы ДНК обычно интерпретируются клеткой как поврежденная или вирусная ДНК, вызывая остановку клеточного цикла , восстановление ДНК или разрушение фрагмента, например, эндонуклеазами у бактерий.

Некоторые области хроматина очень плотно упакованы волокнами, которые демонстрируют состояние, сопоставимое с состоянием хромосомы в митозе . Гетерохроматин, как правило, наследуется клонально; когда клетка делится, две дочерние клетки обычно содержат гетерохроматин в тех же областях ДНК, что приводит к эпигенетическому наследованию . Вариации приводят к тому, что гетерохроматин вторгается в соседние гены или отступает от генов на крайних концах доменов. Транскрибируемый материал может быть подавлен путем позиционирования (в цис-положении ) в этих пограничных доменах. Это приводит к уровням экспрессии, которые варьируются от клетки к клетке, [14] что может быть продемонстрировано с помощью позиционно-эффектной пестроты . [15] Последовательности инсуляторов могут действовать как барьер в редких случаях, когда конститутивный гетерохроматин и высокоактивные гены соседствуют (например, инсулятор 5'HS4 выше локуса β-глобина курицы [16] и локусы в двух Saccharomyces spp. [17] [18] ).

Конститутивный гетерохроматин

Все клетки данного вида упаковывают одни и те же области ДНК в конститутивный гетерохроматин , и, таким образом, во всех клетках любые гены, содержащиеся в конститутивном гетерохроматине, будут слабо экспрессироваться . Например, все человеческие хромосомы 1 , 9 , 16 и Y-хромосома содержат большие области конститутивного гетерохроматина. У большинства организмов конститутивный гетерохроматин находится вокруг центромеры хромосомы и около теломер.

Факультативный гетерохроматин

Схематическая кариограмма человека , показывающая обзор генома человека с использованием G-бэндинга , метода, включающего окрашивание по Гимзе , при котором более светлые окрашенные области, как правило , более эухроматичны, тогда как более темные области, как правило, более гетерохроматичны.

Участки ДНК, упакованные в факультативный гетерохроматин, не будут соответствовать типам клеток в пределах вида, и, таким образом, последовательность в одной клетке, упакованная в факультативный гетерохроматин (и гены внутри нее плохо экспрессируются), может быть упакована в эухроматин в другой клетке (и гены внутри нее больше не будут молчать). Однако образование факультативного гетерохроматина регулируется и часто связано с морфогенезом или дифференциацией . Примером факультативного гетерохроматина является инактивация Х-хромосомы у самок млекопитающих: одна Х-хромосома упакована как факультативный гетерохроматин и молчат, в то время как другая Х-хромосома упакована как эухроматин и экспрессируется.

Среди молекулярных компонентов, которые, по-видимому, регулируют распространение гетерохроматина, находятся белки группы Polycomb и некодирующие гены, такие как Xist . Механизм такого распространения все еще является предметом споров. [19] Поликомбовые репрессивные комплексы PRC1 и PRC2 регулируют уплотнение хроматина и экспрессию генов и играют фундаментальную роль в процессах развития. Опосредованные PRC эпигенетические аберрации связаны с нестабильностью генома и злокачественностью и играют роль в реакции на повреждение ДНК , репарации ДНК и точности репликации . [20]

Гетерохроматин дрожжей

Saccharomyces cerevisiae , или почкующиеся дрожжи, являются модельными эукариотами , и их гетерохроматин был тщательно определен. Хотя большую часть их генома можно охарактеризовать как эухроматин, у S. cerevisiae есть области ДНК, которые транскрибируются очень плохо. Эти локусы представляют собой так называемые локусы молчащего типа спаривания (HML и HMR), рДНК (кодирующие рибосомальную РНК) и субтеломерные области. Делящиеся дрожжи ( Schizosaccharomyces pombe ) используют другой механизм для образования гетерохроматина в своих центромерах. Заглушение гена в этом месте зависит от компонентов пути РНК-интерференции . Считается, что двухцепочечная РНК приводит к заглушению области посредством ряда шагов.

В делящихся дрожжах Schizosaccharomyces pombe два комплекса РНК-интерференции, комплекс RITS и комплекс РНК-направленной РНК-полимеразы (RDRC), являются частью механизма РНК-интерференции, участвующего в инициации, распространении и поддержании сборки гетерохроматина. Эти два комплекса локализуются в зависимости от siRNA на хромосомах, в месте сборки гетерохроматина. РНК-полимераза II синтезирует транскрипт, который служит платформой для привлечения RITS, RDRC и, возможно, других комплексов, необходимых для сборки гетерохроматина. [21] [22] Как РНК-интерференция, так и процесс деградации РНК, зависящий от экзосом, способствуют подавлению активности гетерохроматиновых генов. Эти механизмы Schizosaccharomyces pombe могут встречаться и у других эукариот. [23] Большая структура РНК, называемая RevCen, также участвует в производстве siRNA для опосредования образования гетерохроматина у некоторых делящихся дрожжей. [24]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Volpe TA, Kidner C, Hall IM, Teng G, Grewal SI, Martienssen RA (сентябрь 2002 г.). «Регулирование гетерохроматического сайленсинга и метилирования лизина-9 гистона H3 с помощью РНК-интерференции». Science . 297 (5588): 1833–7. Bibcode :2002Sci...297.1833V. doi : 10.1126/science.1074973 . PMID  12193640. S2CID  2613813.
  2. ^ "Каковы текущие доказательства, показывающие активную транскрипцию внутри..." www.researchgate.net . Получено 2016-04-30 .
  3. ^ Ou HD, Phan S, Deerinck TJ, Thor A, Ellisman MH, O'Shea CC (июль 2017 г.). "ChromEMT: Визуализация трехмерной структуры хроматина и уплотнения в интерфазных и митотических клетках". Science . 357 (6349): eaag0025. doi :10.1126/science.aag0025. PMC 5646685 . PMID  28751582. 
  4. ^ Oberdoerffer P, Sinclair DA (сентябрь 2007 г.). «Роль ядерной архитектуры в геномной нестабильности и старении». Nature Reviews. Молекулярная клеточная биология . 8 (9): 692–702. doi :10.1038/nrm2238. PMID  17700626. S2CID  15674132.
  5. ^ Rosenfeld JA, Wang Z, Schones DE, Zhao K, DeSalle R, Zhang MQ (март 2009 г.). "Определение обогащенных модификаций гистонов в негенных частях человеческого генома". BMC Genomics . 10 (1): 143. doi : 10.1186/1471-2164-10-143 . PMC 2667539 . PMID  19335899. 
  6. ^ Nicetto D, Donahue G, Jain T, Peng T, Sidoli S, Sheng L и др. (январь 2019 г.). «Потеря гетерохроматина H3K9me3 в генах, кодирующих белок, обеспечивает спецификацию линий развития». Science . 363 (6424): 294–297. Bibcode :2019Sci...363..294N. doi :10.1126/science.aau0583. PMC 6664818 . PMID  30606806. 
  7. ^ Элгин, СК (1996). «Гетерохроматин и регуляция генов у дрозофилы». Current Opinion in Genetics & Development . 6 (2): 193–202. doi :10.1016/S0959-437X(96)80050-5. ISSN  0959-437X. PMID  8722176.
  8. ^ Пенагос-Пуч, Андрес; Фурлан-Магарил, Майра (2020-09-18). «Гетерохроматин как важный фактор организации генома». Frontiers in Cell and Developmental Biology . 8. doi : 10.3389/fcell.2020.579137 . ISSN  2296-634X. PMC 7530337. PMID 33072761  . 
  9. ^ van Steensel B (май 2011). «Хроматин: построение большой картины». The EMBO Journal . 30 (10): 1885–95. doi :10.1038/emboj.2011.135. PMC 3098493. PMID  21527910 . 
  10. ^ Roudier F, Ahmed I, Bérard C, Sarazin A, Mary-Huard T, Cortijo S и др. (май 2011 г.). «Интегративное эпигеномное картирование определяет четыре основных состояния хроматина у Arabidopsis». The EMBO Journal . 30 (10): 1928–38. doi :10.1038/emboj.2011.103. PMC 3098477 . PMID  21487388. 
  11. ^ Lohe AR, Hilliker AJ, Roberts PA (август 1993 г.). «Картирование простых повторяющихся последовательностей ДНК в гетерохроматине Drosophila melanogaster». Genetics . 134 (4): 1149–74. doi :10.1093/genetics/134.4.1149. PMC 1205583 . PMID  8375654. 
  12. ^ Lu BY, Emtage PC, Duyf BJ, Hilliker AJ, Eissenberg JC (июнь 2000 г.). «Гетерохроматиновый белок 1 необходим для нормальной экспрессии двух гетерохроматиновых генов у дрозофилы». Genetics . 155 (2): 699–708. doi :10.1093/genetics/155.2.699. PMC 1461102 . PMID  10835392. 
  13. ^ Grewal SI, Jia S (январь 2007). "Heterochromatin revisited". Nature Reviews. Genetics . 8 (1): 35–46. doi :10.1038/nrg2008. PMID  17173056. S2CID  31811880. Актуальный отчет о текущем понимании повторяющейся ДНК, которая обычно не содержит генетической информации. Если эволюция имеет смысл только в контексте регуляторного контроля генов, мы предполагаем, что гетерохроматин, который является основной формой хроматина у высших эукариот, позиционируется как глубоко эффективная цель для эволюционных изменений. Будущие исследования сборки, поддержания и многих других функций гетерохроматина прольют свет на процессы регуляции генов и хромосом.
  14. ^ Фишер АГ, Меркеншлагер М (апрель 2002 г.). «Генетическое подавление, судьба клетки и ядерная организация». Current Opinion in Genetics & Development . 12 (2): 193–7. doi :10.1016/S0959-437X(02)00286-1. PMID  11893493.
  15. ^ Жимулев, ИФ и др. (декабрь 1986 г.). "Цитогенетические и молекулярные аспекты мозаичности эффекта положения у Drosophila melanogaster". Chromosoma . 94 (6): 492–504. doi :10.1007/BF00292759. ISSN  1432-0886. S2CID  24439936.
  16. ^ Burgess-Beusse B, Farrell C, Gaszner M, Litt M, Mutskov V, Recillas-Targa F, et al. (декабрь 2002 г.). «Изоляция генов от внешних энхансеров и подавление хроматина». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 99 (Suppl 4): 16433–7. Bibcode : 2002PNAS ...9916433B. doi : 10.1073/pnas.162342499 . PMC 139905. PMID  12154228. 
  17. ^ Allis CD, Grewal SI (август 2001 г.). «Переходы в различных паттернах метилирования гистона H3 на границах доменов гетерохроматина». Science . 293 (5532): 1150–5. doi :10.1126/science.1064150. PMID  11498594. S2CID  26350729.
  18. ^ Donze D, Kamakaka RT (февраль 2001 г.). «Комплексы промотора РНК-полимеразы III и РНК-полимеразы II являются гетерохроматиновыми барьерами в Saccharomyces cerevisiae». The EMBO Journal . 20 (3): 520–31. doi :10.1093/emboj/20.3.520. PMC 133458. PMID  11157758 . 
  19. ^ Talbert PB, Henikoff S (октябрь 2006 г.). «Распространение молчащего хроматина: бездействие на расстоянии». Nature Reviews. Genetics . 7 (10): 793–803. doi :10.1038/nrg1920. PMID  16983375. S2CID  1671107.
  20. ^ Veneti Z, Gkouskou KK, Eliopoulos AG (июль 2017 г.). «Polycomb Repressor Complex 2 in Genomic Instability and Cancer» (Комплекс репрессоров поликомб 2 при геномной нестабильности и раке). International Journal of Molecular Sciences . 18 (8): 1657. doi : 10.3390/ijms18081657 . PMC 5578047. PMID  28758948 . 
  21. ^ Kato H, Goto DB, Martienssen RA, Urano T, Furukawa K, Murakami Y (июль 2005 г.). «РНК-полимераза II необходима для сборки гетерохроматина, зависящей от РНКi». Science . 309 (5733): 467–9. Bibcode :2005Sci...309..467K. doi :10.1126/science.1114955. PMID  15947136. S2CID  22636283.
  22. ^ Djupedal I, Portoso M, Spåhr H, Bonilla C, Gustafsson CM, Allshire RC, Ekwall K (октябрь 2005 г.). «Субъединица РНК-полимеразы II Rpb7 способствует центромерной транскрипции и подавлению хроматина под действием РНКi». Genes & Development . 19 (19): 2301–6. doi :10.1101/gad.344205. PMC 1240039 . PMID  16204182. 
  23. ^ Vavasseur; et al. (2008). «Сборка гетерохроматина и подавление транскрипционных генов под контролем ядерной РНК-интерференции: уроки деления дрожжей». РНК и регуляция экспрессии генов: скрытый уровень сложности . Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-25-7.
  24. ^ Djupedal I, Kos-Braun IC, Mosher RA, Söderholm N, Simmer F, Hardcastle TJ и др. (декабрь 2009 г.). «Анализ малых РНК в делящихся дрожжах; центромерные siRNA потенциально генерируются через структурированную РНК». The EMBO Journal . 28 (24): 3832–44. doi :10.1038/emboj.2009.351. PMC 2797062 . PMID  19942857. 

Внешние ссылки