2.2. Ферменты модификации гистонов

Подобно другим организмам (табл. 9.1), растения имеют ферменты, которые посттрансляционно модифицируют аминоконцевые хвосты гистонов, что предполагает существование гистонового кода (Loidl, 2004). У растений модифицирующие гистоны ферменты часто кодируются относительно большими семействами генов. Полезная информация о большинстве этих генов все еще очень мала. Существуют, по крайней мере, две известные модификации гистонов — ацетилирование/деацетилирование и метилирование.

Гистоновые деацетилазы и ацетилтрансферазы гистонов

Разнонаправленное действие гистоновых ацетилтрансфераз (HATs) и деацетилаз (HDACs) обеспечивает обратимость этой модификации гистонов, т.е. их эпигенетического маркирования. Такая обратимость модификаций часто усиливается и тем, что в дополнение к гипоацетилированию гистонов молчащие гены еще и метилированы по CpG сайтам, из которых метилированные остатки цитозина потенциально могут быть удалены под действием ДНК-гликозилаз (раздел 2.1, подраздел «Активное CG деметилирование и ДНК-гликозилазы»). У Arabidopsis имеется 18 предполагаемых HDACs и 12 предполагаемых HATs (Pandey et al., 2002). Это больше, чем у других нерастительных эукариот; примерно такое же количество таких ферментов выявлено у млекопитающих. Эти ферменты консервативны у всех эукариот. У растений имеется одно из специфичных для них семейств белков, функциональная роль которых не известна. При генетическом скрининге обнаружены только два гена этого консервативного семейства: HDA1 и HDA6 (табл. 9.2). HDA6 участвует в поддерживающем CpG метилировании, индуцированном РНК, и модификации повторяющихся последовательностей, но почти не влияет на развитие. На это указывает нормальный фенотип у соответствующих дефектных мутантов. В отличие от этого сниженная экспрессия HDA1 сопровождается плейотропными эффектами при развитии. У Arabidopsis ни одна из HAT не найдена при генетическом скринировании, что могло бы указывать на функциональную их избыточность или участие в активации молчащих генов.

Метилтрансферазы гистонов

Белки, метилирующие лизиновые остатки в гистонах (упоминающиеся в этой книге как гистоновые лизин метилтрансферазы или HKMTs) и другие, содержат общий SET домен (SU(VAR)/E(Z)/TRX). Благодаря тому, что они обладают способностью метилировать гистон H3 или Н4 по разным лизиновым остаткам, различные комплексы белков с SET доменами играют заметную роль в промотировании или ингибировании транскрипции специфических генов и формировании гетерохроматина. Некоторые белки с SET доменом являются членами так называемых групп поликомб (PcG) и триторакс (trxG), они соответственно поддерживают транскрипционно неактивное или активное состояние гомеотических генов при развитии растений и животных (главы 11 и 12). Другие SET доменные белки, такие как SU(VAR)3-9, участвуют в поддержании конденсированного состояния гетерохроматина особенно часто в областях повторяющихся последовательностей ДНК путем метилирования гистона H3 по лизину 9 (H3K9). В геноме Arabidopsis закодировано 32 SET доменных белка, из которых экспрессируются 30. Они могут быть сгруппированы в виде четырех консервативных семейств: E(Z), TRX, ASH1 и SU(VAR)3-9; имеется также небольшое пятое семейство белков, которое выявлено только у дрожжей и растений (Baumbusch et al., 2001; Springer et al., 2003). Число экспрессируемых SET доменных белков у Arabidopsis относительно велико по сравнению с 14 белками у Drosophila и четырьмя белками у делящихся дрожжей. У мышей насчитывается 50 SET доменных белков. В дополнение к экспансии SET доменных белков в результате полиплоидии, у Arabidopsis существенную роль в амплификации членов группы SU(VAR)3-9 играет ретротранспозиция. Вне SET домена соответствующие растительные и животные белки не всегда уж столь консервативны. Дивергированные области белков предназначены для белок-белковых взаимодействий, это указывает на то, что растительные S ET доменные белки могли бы функционировать в других белковых комплексах, отличных от комплексов животных белков.

Хотя и неполная, доступная функциональная информация о SET доменных белках Arabidopsis указывает на то, что эти белки участвуют в регуляции активности хроматина и в эпигенетической наследственности. Первыми двумя генами SET доменных белков, идентифированными при генетическом скринировании, оказались Curly leaf ген (CLF) и ген Medea/независимое от оплодотворения образование семян (MEA/FIS1), которые являются негативными регуляторами, родственными гену E(Z) Drosophila. Будучи SET доменными белками, МЕА, CLF и E(Z) заодно являются также и PcG белками (раздел 2.3. Другие белки из группы polycomb). Мутации гена CLF приводят к изменению морфологии листа и гомеотическим изменениям в развитии цветка. MEA/FIS1 регулирует гаметофит-специфическую экспрессию генов и служит фактором импринтинга, который ингибирует развитие эндосперма без оплодотворения (Schubert et al., 2005). Наоборот, ген trithorax 1 (АТХ1) у Arabidopsis работает как активатор цветочных гомеотических генов, по-видимому, вследствие его способности катализировать метилирование четвертого лизинового остатка в гистоне H3 (H3K4), а это часто служит признаком транскрипционной активности хроматина (Hsieh and Fischer, 2005).

Криптонит/гомолог 4 супрессора 3-9 пестролистности (Suppressor of variegation 3-9 homolog 4 (КУР/ SUVH4) идентифицирован как супрессор эпигенетического сайленсинга двух эндогенных генов (Jackson et al., 2002; Malagnac et al., 2002). KYP/SUVH4 катализирует моно- и диметилирование гистона H3 по остатку лизина 9 (H3K9me2/me3) и действует вместе с ДНК-метилтрансферазой СМТЗ для поддержания CpNpG метилирования ряда последовательностей в геноме Arabidopsis. KYP/SUVH4 играет небольшую роль в образовании гетерохроматина (Chan et al., 2005). В отличие от этого гомолог 2 супрессора пестролистности 3-9 (SUVH2), идентифицированный при скрининге компонентов реактивации молчащего трансгена, обладает главной метилирующей активностью, модифицирующей гистон H3 по 9 (H3K9) и 27 (H3K27) остаткам лизина в гетерохроматине Arabidopsis (Naumann et al., 2005).

Лизиновые остатки в гистонах Н3 и Н4 могут быть моно-, ди- и триметилированными. Это сильно увеличивает комбинаторную сложность этих модификаций, определяет состояние гетерохроматина у разных организмов. Например, H3K9me3 служит отличительной чертой гетерохроматина у животных и грибов, а у Arabidopsis это — эпигенетический маркер эухроматина. Наоборот, H3K9mel и H3K9me2 — преимущественные маркеры неактивного хроматина у Arabidopsis, а у млекопитающих это показатели эухроматина. Происхождение этих различий и как они соотносятся с постулированным гистоновым кодом следует еще определить. Кроме этого, еще предстоит расшифровать и сильно взаимно перепутанные связи между специфическими модификациями гистонов и характером метилирования (Tariq and Paszkowski, 2004).

В отличие от ацетилирования гистонов, которое может динамично регулироваться противоположными активностями HDACs и HATs, метилирование гистонов до недавнего времени рассматривалось как перманентный эпигенетический маркер. Однако недавно у млекопитающих была найдена деметилаза метилированного лизина, LSD1, которая может деметилировать H3K4mel и H3K4me2, но не H3K4me3 (глава 10). В геноме Arabidopsis закодированы четыре предполагаемые LSD гомолога. Это указывает на то, что по-крайней мере некоторые метилирования гистонов у растений могут быть обратимыми.