4.1. От репрессии гена к репрессии хромосомы

Мутации в компонентах мышиного PRC1 демонстрируют гомеотические трансформации аксиального скелета. Это может вызывать появление дополнительных позвонков как следствие дерепрессии генов НОХ (рис. 11.2д, е) (Core et al., 1997). Кроме того, мутантные мыши обнаруживают тяжелый комбинированный иммунодефицит, вызываемый отсутствием пролиферативных ответов гематопоэтических клеток (Raaphorst, 2005). Роль белков PcG была особенно хорошо изучена на клетках крови, в свете того факта, что большинство линий клеток крови характеризуются их хорошо описанными, специфичными для клеточного типа программами транскрипции. Однако коммитирование и рестрикция линии каким-то образом нуждаются в надежном поддержании при клеточном делении. Оказывается, что у нокаутных по PcG мышей популяции предшественников В- и Т-клеток продуцируются нормально, показывая, что контроль PcG не играет роли в установлении специфичных для линии паттернов генной экспрессии. Однако белки PcG вносят вклад в необратимость выбора линии, а не участвуют в решении следовать по определенному пути развития.

Кроме контроля генов НОХ, паттерны экспрессии которых характеризуют разные линии клеток крови, белки PcG играют главную роль в контроле пролиферации. Ген bmi1, ортолог гена Psc Drosophila, был первоначально идентифицирован как онкоген, который, в кооперации с туе, индуцирует лимфомагенез у мышей (van Lohuizen et al., 1991). Белок Bmi1 контролирует регуляторы клеточного цикла р16^INK4а из 19^АRF (Jacobs et al., 1999). И Bmi1, и родственный белок Mel-18 являются негативными регуляторами локуса 1NK4C-ARF, необходимого для контроля нормальной лимфоидной пролиферации. Мисрегуляция этой важной контрольной точки [checkpoint] клеточного цикла влияет на апоптоз и старение у мышей (Akasaka et al., 2001).

Белки PcG млекопитающих ассоциированы также с классическим эпигенетическим феноменом инактивации Х-хромосомы (глава 17). Инактивация одной Х-хромосомы в ХХ-клетках самок сопровождается серией модификаций хроматина, в которых участвуют белки PcG (Heard, 2004). В частности, компоненты PRC2, подобно гомологу ESC, Eed (Embryonic ectoderm expression), или гомологу E(Z), Enx1 (табл. 11.1), играют главную роль в установлении меток гистонов, ассоциированных с транскрипционным сайленсингом. Временная [transient] ассоциация этого PRC2 с Х-хромосомой, покрытой РНК Xist, сопровождается метилированием H3K27. Напротив, мутантные по eed эмбрионы мыши не обнаруживают рекрутирования HKMT Fnx1, и у них не наблюдается никакого метилирования H3K27. Однако отсутствие этих компонентов PRC2 не ведет к полной дерепрессии всей неактивной Х-хромосомы; скорее, в некоторых клетках наблюдаются спорадическая реэкспрессия сцепленных с X генов и увеличение эпигенетических меток, ассоциированных с активным состоянием (H3K9ас и H3K4me3). Это происходит, вероятно, потому, что другие частично избыточные эпигенетические механизмы взамен обеспечивают поддержание одной активной Х-хромосомы.

Рекрутирование PRC2 к неактивной Х-хромосоме, по-видимому, зависит от РНК Xist. Поскольку связь PRC2 с неактивной X лишь временная, оказывается, что этот комплекс необходим лишь для установления эпигенетических меток (т.е. H3K27me3), чтобы поддерживать сайленсинг. В настоящее время неизвестно, узнает ли PRC1 эти метки непосредственно и требуется ли он для перманентного сайленсинга неактивной Х-хромосомы, но компоненты PRC1 оказываются связанными с неактивной Х-хромосомой. Однако известно, что метилирование ДНК сопровождает фазу поддержания и необходимо для перманентной инактивации X.

PRC2 специфически участвует в регуляции моноаллельной экспрессии Х-хромосомы как у эмбриона, где инактивация Х-хромосомы является случайной, так и в экстраэмбриональных тканях, где всегда инактивирована Х-хромосома, унаследованная от отца (инактивация импринтированной Х-хромосомы). Кроме того, недавно было обнаружено, что PRC2 участвует в регуляции некоторых аутосомных импринтированных генов. Например, анализ 14 импринтированных локусов из шести несцепленных импринтированных кластеров показал, что четыре из них биаллельно экспрессировались у мутантных по eed мышей (Mager et al., 2003; дополнительные детали см в главе, 19). Интересно, что все локусы, утратившие импринтированную экспрессию, были нормально репрессированы, когда наследовались от отца, тогда как ни один из локусов, репрессированных по материнской линии, не был затронут Поскольку недавно было показано, что Ezh2 непосредственно взаимодействует с метилтрансферазами ДНК млекопитающих и требуется для их активности (Vim et al., 2006), не исключено, что PRC2 играет роль в регуляции этих импринтированных генов посредством метилирования ДНК (глава 18).

Об участии PRC2 в регуляции экспрессии импринтированных генов сообщалось и для Arabidopsis, где локус РНЕ1 экспрессируется на гораздо более высоких уровнях с отцовской аллели (КцЫег et al., 2005). У мутантов по МЕА, гомологу E(z), материнская аллель РНЕ1 специфически дерепрессирована. Аналогичным образом МЕЛ регулирует также свою собственную импринтированную экспрессию: на ранних стадиях репродуктивного развития материнская аллель МЕЛ сильно дерепрессирована у мутантов теа. Этот эффект, однако, не зависит от других компонентов комплекса FIS (Baroux et al., 2006). Напротив, на более поздних стадиях развития комплекс FIS обеспечивает стабильную репрессию отцовской аллели МЕЛ (Ваших et al., 2006; Gehring et al., 2006; Jullien et al., 2006). В этом последнем случае комплекс FIS участвует в сайленсинге репрессированных у отца импринтированных генов аналогично ситуации у млекопитающих. Кроме того, МЕЛ играет также роль в поддержании экспрессии материнских аллелей РНЕ1 и МЕА на низком уровне, как описано выше (рис. 11.4).

Поскольку компоненты PRC2 имеются у растений, беспозвоночных и млекопитающих, PRC2 представляет собой древний молекулярный модуль, годящийся для репрессии генов, который имелся уже у одноклеточного предка растений и животных, до развития многоклеточности. Таким образом, эти примеры позволяют предполагать, что PRC2 был мобилизован независимо для регуляции экспрессии импринтированных генов у растений и животных, в двух линиях, где возник геномный импринтинг (Grossniklaus, 2005).