8. PEV, формирование гетерохроматина и сайленсинг генов у различных организмов

Явление мозаицизма, обусловленного эффектом положения (PEV), первоначально было установлено на Drosophla просто потому, что это был один из первых организмов, на которых для получения мутаций было использовано Х-излучение. Х-излучение с гораздо большей вероятностью, чем другие обычно используемые мутагены, индуцирует хромосомные перестройки, результатом которых может быть PEV. Сходные мутации были изолированы у мышей, где пятнистая окраска меха указывает на PEV. Генетический анализ выявил вставку аутосомного района, несущего аллели дикого типа генов окраски меха, в Х-хромосому (Cattanach, 1961; Russel and Bangham, 1961). Мозаичность наблюдается только у самок, несущих эту вставку в сочетании с гомозиготной мутацией в исходных генах окраски меха. У этих самок аллель дикого типа становится инактивированной вследствие Х-инактивации путем гетерохроматинизации (глава 17). У растений единственный несомненный случай PEV был описан у Oenothera blandina (Catcheside, 1939). В этих случаях, как и у Drosophila, PEV-сайленсинг эухроматиновых генов связан с перемещением этих генов в новое гетерохроматиновое окружение.

Транскрипционный сайленсинг генов наблюдали также для повторяющихся последовательностей (RIGS; repeat-induced gene silencing), особенно у растений. Анализ затрагиваемых последовательностей обнаружил появление эпигенетических меток (метилирование гистонов и ДНК), аналогичных тем, которые обнаруживаются в гетерохроматине и в районах, сайленсированных PEV. Если ввести в Arabidopsis фрагменты ДНК, содержащие тандемно расположенные гены люциферазы, наблюдается мозаичная экспрессия люциферазы. Опять-таки, за наблюдаемый сайленсинг генов отвечает формирование гетерохроматина. Лежащие в основе этого молекулярные механизмы консервативны у высших эукариотических организмов.

Центральной особенностью сайленсинга гетерохроматиновых генов у Drosophila является взаимодействие НР1 с H3K9me2 и HKMT SU(VAR)3-9. НР1 консервативен от дрожжей Schizosaccharomyces pombe до человека и неизменно связан с перицентромерным гетерохроматином. Гены НР1 человека можно использовать для «спасения» нехваток [deficiency] у Drosophila (Ма et al., 2001). Однако у растений НР1 как таковой не был идентифицирован. SU(VAR)3-9 представлен еще более широко, будучи идентифицирован у дробянковых дрожжей (Clr4), Neurospora (DIM5), Arabidopsis и млекопитающих (SUV39H). Все эти гомологи (SU(VAR)3-9 катализируют метилирование H3K9 и функционируют в формировании гетерохроматина. Опять-таки, трансген SUV39H1 человека может полностью компенсировать утрату эндогенного белка в мутантных линиях Drosophila (Schotta et al., 2002). У высших растений (Arabidopsis, рис и кукуруза) обнаружено несколько белков (SUVH), гомологичных SU(VAR)3-9 (Baumbusch et al, 2001). Большое число HKMTs может отражать пластичность развития у растений или необходимость реагировать на факторы внешней среды (см. дальнейшее обсуждение в главе 9). Четыре белка SUVH — SUVH1, SUVH2, SUVH4 (KYP) и SUVH6 - были изучены детально (Jackson et al., 2002; Naumann et al., 2005). Bee они оказались метилтрансферазами H3K9 гистонов. SUVH2 играет центральную роль в контроле состояний гетерохроматина, обнаруживая зависимое от дозы влияние на формирование гетерохроматина, подобное тому, что сообщалось для SU(VAR)3-9 Drosophila (Naumann et al., 2005). Утрата функции SUVH2 сильно подавляет зависимый от повторов сайленсинг, а сверхэкспрессия вызывает значительное усиление такого сайленсинга у растений с люциферазными трансгенами.

Другие гены, идентифицированные с помощью мутаций Su(var) Drosophila, кодируют белки с консервативными функциями. HKMT SUV4-20 была охарактеризована у млекопитающих и у Drosophila (Schotta et al., 2004). У этих организмов она контролирует триметилирование по H4K20. Деметилазы гистонов, ацетилазы и деацетилазы также являются консервативными (Т. Rudolph et al., неопубликовано). Эволюционный консерватизм многих ключевых энзимов, контролирующих модификацию гистонов, говорит в пользу идеи гистонового кода (Jenuwein and Allis, 2001). Однако изучение специфичных для хроматина меток модификации гистонов, наблюдающихся у Drosophila, млекопитающих и растений (Arabidopsis), выявляет и некоторые специфичные для рода элементы.

В число существенных признаков конститутивного гетерохроматина у млекопитающих входят H3K9me3, H3K27me1 и H4K20me3 (Peters etal., 2003; Rice etal., 2003; Schotta et al., 2004). Гетерохроматин Drosophila характеризуется H3K9me1/me2, H3K27me1/me2/me3 и H4K20me3 (Schotta et al., 2002, 2004; Ebert et al., 2004). В противоположность млекопитающим у Drosophila H3K9me3 недопредставлен. У млекопитающих H3K9me1 не является меткой гетерохроматина. У Arabidopsis, как у Drosophila, H3K9me1/me2 — метки гетерохроматина, тогда как H3K9me3 — эухроматиновая метка (Naumann et al., 2005). H3K27me1 и H3K27me2 являются гетерохроматиновыми метками у Arabidopsis, тогда как эти же метки у Drosophila обнаруживаются в эухроматине и гетерохроматине. H3K27me3 — исключительно эухроматиновая метка у Arabidopsis. H4K20mel у Arabidopsis является гетерохроматиновым, но H4K20me2 и H4K20me3 — эухроматиновыми. Еще одно бросающееся в глаза различие между Arabidopsis и животными касается хромосомного распределения фосфорилирования H3S10. Эта метка является гетерохроматиновой у Arabidopsis (A. Fischer and G. Reuter, неопубликовано), но эухроматиновой у Drosophila (Wang et al., 2001; Ebert et al., 2004). Сходство и различие в специфичных для гетерохроматина метках модификации гистонов между млекопитающими, Drosophila и Arabidopsis несомненно указывают на то, что гистоновый код не является полностью универсальным, а, скорее, существует в виде разных диалектов. -