7. Модификации гистонов и гистоновый код

Мы рассмотрели, каким образом модификации гистонов могут изменять хроматиновую матрицу посредством cis-эффектов, изменяющих межнуклеосомные контакты и промежуточные расстояния, или же trans-эффектов, вызываемых ассоциациями гистоновых и негистоновых белков с матрицей. Каков же вклад и биологический результат модификаций гистонов? Типы структуры хроматина, коррелирующие с модификациями гистоновых «хвостов», выявились в результате исследований, в которых использовалась основная масса гистонов и которые позволили предположить, что эпигенетические метки могут обеспечить сигнатуры «ВКЛЮЧЕНО» (т. е. активно) или «ВЫКЛЮЧЕНО» (т. е. неактивно). Это выяснилось в результате длительных исследований большей частью коррелятивного характера, которые показали, что определенные модификации гистонов, в особенности их ацетилирование, связаны с доменами активного хроматина или с участками, в целом пермиссивными для транскрипции В противоположность этому другие метки, такие как некоторые фосфорилированные остатки гистонов, давно ассоциировались с конденсированным хроматином, который, в целом, не поддерживает транскрипционную активность. Модификации гистонов, приведенные в Приложении 2, суммируют известные в настоящее время сайты модификаций. Здесь мы подчеркиваем, что приведенный материал отражает модификации и сайты, которые не обязательно характерны для любого организма.

Прежде всего, обсудим, каким образом производятся или удаляются модификации гистонов. Большая работа, проведенная в области исследования хроматина, позволила предположить, что модификации «хвостов» гистонов образуются («записываются») или удаляются («стираются») в результате каталитического действия ассоциированных с хроматином ферментативных систем. Однако исследователям годами не удавалось идентифицировать эти ферменты. За последнее десятилетие было идентифицировано очень большое число модифицирующих хроматин энзимов из различных источников; большая часть этих данных собрана в Приложении 2. Этот успех был достигнут в результате многочисленных биохимических и генетических исследований. Эти ферменты часто входят в состав крупных, состоящих из многих субъединиц комплексов, которые могут катализировать включение или удаление ковалентных модификаций как в гистоновых, так и в негистоновых мишенях. Более того, многие из этих энзимов катализируют свои реакции с замечательной специфичностью по отношению к остатку-мишени и к клеточному контексту (т. е. в зависимости от внешних или внутренних сигналов). Для ясности, а также в качестве примера, мы кратко обсудим четыре главные ферментативные системы, которые катализируют модификации гистонов, вместе с ферментативными системами противоположного действия, обеспечивающими реверсию этих модификаций (рис. 3.10) (Vaquero et al., 2003; Holbert and Marmorstein, 2005). В совокупности эти антагонистические активности управляют устойчивым балансом каждой рассматриваемой модификации.

Ацетилазы гистонов (HATs) ацетилируют остатки специфических лизинов в гистоновых субстратах (Roth et al., 2001); реверсия обеспечивается действием деацетилаз гистонов (HDACs) (Grozinger and Schreiber, 2002). Ферменты семейства гистоновых киназ фосфорилируют остатки специфических серинов или треонинов. а фосфатазы (РРТазы) удаляют метки, созданные фосфорилированием. Особенно хорошо известны митотические киназы, такие как циклин-зависимая киназа или киназа «aurora», катализирующая фосфорилирование корового (H3) и линкерного (Н1) гистонов. Менее очевидны в каждом из этих случаев противостоящие РРТазы, действие которых ревертирует результат этого фосфорилирования, когда клетки выходят из митоза.

Были описаны два общих класса метилирующих ферментов: PRMTs (protein arginine methyltransferases — метилтрансферазы аргининов белка), субстратом которых является аргинин (Lee et al., 2005), и HKMTs (histone lysine methyltransferases — метилтрансферазы лизинов гистонов), действующие на остатки лизина (Lachner et al., 2003). Метилирование аргининов косвенным образом ревертируется действием дезиминаз, которые конвертируют метиларгинин (или аргинин) в остаток цитруллина (Bannister and Kouzarides, 2005). Метилированные остатки лизина оказываются химически более стабильными. Было показано, что метилированный лизин существует в моно-, ди- и триметилированном состояниях. Несколько триметилированных остатков на аминоконцах H3 и Н4, по-видимому, обладают возможностью стабильно воспроизводиться в ходе клеточных делений (Lachner et al., 2004), как и метка H4K20mel в имагинальных дисках Drosophila (Reinberg et al., 2004). Недавно была описана лизин-специфичная «деметилаза» (LSD1) как аминооксидаза, способная удалять метилирование H3К4 (Shi et al., 2004). Этот энзим действует путем FSD-зависимой окислительной дестабилизации аминометильной связи, что приводит к образованию немодифипированного лизина и формальдегида. Было показано, что LSD1 действует избирательно в отношении активирующей H3К4 метки, созданной метилированием, и может дестабилизировать только моно- и ди-, но не триметилирование. Эта деметилаза является частью большого репрессивного белкового комплекса, который содержит также HDACs и другие энзимы Другие данные позволяют предполагать, что LSD1 может соединяться в комплекс вместе с рецептором андрогена в локусах-мишенях и деметилирует репрессивную гистоновую метку H3K9me2, внося вклад в транскрипционную активацию (Metzger et al., 2005). Другой класс гистоновых деметилаз, согласно данной ему храктеристике. работает с помощью более мощного механизма, механизма радикальной атаки, известного как гидроксилазы или диоксигеназы (Tsukada et al., 2006). Одна из них дестабилизирует только H3K36me2 (активная метка), но не триметилированное состояние. Эта новая гистоновая деметилаза jumonji (JHDM1) содержит консервативный домен jumonji, которых в геноме млекопитающих известно около 30; это позволяет предполагать, что некоторые из этих энзимов, может быть, могут атаковать и другие остатки, так же как триметильное состояние (Fodor et al., 2006; Whetstine et al., 2006).

Значительный прогресс был достигнут в анализе систем ферментов, управляющих устойчивым балансом этих модификаций, и мы подозреваем, что в этой увлекательной области будут достигнуты гораздо большие успехи. Остается понять, как регулируются эти ферментативные комплексы и как становятся мишенями их физиологически релевантные субстраты и сайты. Кроме того остается неясным, как ковалентные механизмы влияют на эпигенетические явления.

^{Рис. 3.10. энзимы, модифицирующие гистоны}

^{Ковалентные модификации гистонов трансдуцируются ферментами, модифицирующими гистоны («писателями»), и удаляются активностями противоположного действия. Они делятся на классы в соответствии с типом ферментативного действия (например. ацетилирование или фосфорилирование). Белковые домены со специфическим сродством к модификации гистонового «хвоста» называются «читателями» (HAT) ацетилтрансфераза гистона; (PRMT) протеин-аргинин-метилтрансфераза; (HKMT) метилтрансфераза лизина гистонов; (HDAC) деацетилаза гистонов; (РРТаза) протеинфосфатазы; (Ас) ацетилирование; (Р) фосфорилирование; (Ме) метилирование}

Модификации гистонов происходят не изолированно, а на основе комбинирования, как это предполагается — для модификационных кассет (т. е. ковалентных модификаций в соседних остатках определенного гистонового «хвоста», например H3К9те и H3S10ph или H4Slph, H4R3me и H4K4ас) и trans-гистоновых путей (ковалентных модификаций между разными «хвостами» гистонов или нуклеосомами; рис. 3.11). Интригует тот факт что почти все известные модификации гистонов коррелируют с активирующей или репрессивной функциями, в зависимости от того, какой аминокислотный остаток (остатки) в аминоконце гистона модифицирован Описаны как синергистические, так и антагонистические пути (Zhang and Reinberg, 2001; Berger, 2002; Fischle et al., 2003b), которые могут постепенно индуцировать комбинации активных меток, одновременно противодействуя репрессивным модификациям. Неизвестно, однако, сколько разных комбинаций модификаций по различным аминотерминальным позициям гистонов существует для любой данной нуклеосомы, потому что большинство исследований было выполнено на препаратах суммарных гистонов. Недавно было показано, что на структуру и сборку хроматина влияют, кроме аминоконцов, модификации в глобулярных доменах гистонов (Cosgrove et al., 2004), регулируя тем самым экспрессию генов и репарацию повреждений ДНК (van Attikum and Gasser, 2005; Vidanes et al., 2005). Стоит также упомянуть, что несколько модифицирующих гистоны энзимов избирают своей мишенью и негистоновые субстраты (Sterner and Berger, 2000; Chuikov et al., 2004). Рисунок 11 иллюстрирует два примера установленных иерархий гистоновых модификаций, которые, по-видимому, индексируют транскрипцию активного хроматина или, напротив, определяют рисунок гетерохроматиновых доменов.

Эти исследования ставят вопрос о том, существует ли «гистоновый код» или даже «эпигенетический код». Хотя эта теоретическая концепция оказалась весьма стимулирующей, и было показано, что в некоторых своих предсказаниях она правильна, вопрос 6 том, действительно ли существует некий код, остается в значительной степени открытым. Для сравнения скажем, что генетический код оказался крайне полезным ввиду возможности делать предсказания на его основе и благодаря его почти полной универсальности Он использует в основном «алфавит» из четырех оснований в ДНК (т. е. нуклеотидов), образуя в целом инвариантный и почти универсальный язык. В противоположность этому современные данные заставляют считать, что картины гистоновых модификаций значительно варьируют от организма к организму, особенно между низшими и высшими эукариотами, например дрожжами и человеком. Таким образом, даже если гистоновый код и существует, он, вероятно, не универсален. Эта ситуация становится еще более сложной, когда учитывается динамическая природа гистоновых модификаций, варьирующих в пространстве и во времени. Более того, хроматиновая матрица вовлекает в процесс ошеломляющее количество факторов ремоделинга (Vignali et al., 2000; Narlikar et al., 2002; Langst and Becker, 2004; Smith and Peterson, 2005). Однако анализ с использованием иммунопреципитации хроматина (ChIP) в масштабах целого генома (ChIP on chip) начал выявлять неслучайные и в какой-то мере предсказуемые паттерны в нескольких геномах (например, S. pombe, A. thaliana, клетки млекопитающих) — такие как сильные корреляции H3К4me3 с активированными участками промотора (Strahl et al. 1999; Santos-Rosa et al., 2002; Bernstein et al., 2005), a также метилирования H3K9 (Hall et al. 2002; Lippman et al., 2004; Martens et al., 2005) и H3K27 (Litt et al., 2001; Ringrose et al., 2004) с «молчащим» гетерохроматином. Возможно, ограничением гистонового кода является то обстоятельство, что одна модификация не транслируется неизменно в один биологический выходной сигнал. Однако действуя в комбинации или кумулятивным образом, модификации, по-видимому, действительно определяют биологические функции и вносят свой вклад в них (Henikoff, 2005).

^{Рис. 3.11. Координированная модификация хроматина}

^{Переход не подвергавшейся воздействию хроматиновой матрицы в активный эухроматин (слева) или образование репрессивного гетерохроматина (справа), включающие ряд скоординированных модификаций хроматина. В случае активации транскрипции это сопровождается действием комплексов ремоделинга нуклеосом и замещением коровых гистонов гистоновыми вариантами (желтый цвет, а именно H3.3)}