Эпигенетическое наследование

Эпигенетика – наследуемые изменения генной активности, которые не закодированы в последовательности ДНК.

Типы эпигенетических модификаций:

• ДНК-метилирование,
• вариантные формы гистонов – коровые гистоны (за исключением Н4) существуют в разных формах (вариантах). Пул гистона Н3 в клетке состоит из вариантов Н3.3 (требуются в течение всего клеточного цикла), CENP-A и H3.1, H3.2 (синтезируются в S-фазе). Н3.3 ассоциирован с транскрипционно активными областями генов и богат посттрансляционными модификациями. H3.2 несет репрессирующие модификации, а H3.1 и активирующие, и репрессирующие,
• ремоделлинг нуклеосомы – изменение позиции нуклеосомы АТФ-зависимым путем,
• РНК-интерференция,
• модификации гистонов (ацетилирование, фосфорилирование, метилирование, АТФ-рибозилирование, сумоилирование, убиквитинирование). Модификации могут быть активирующими и репрессирующими.

Гипотеза гистонового кода

Гистоновый код – гипотеза, предложенная Strahl и Allis в 2000, предполагает, что существуют модификации гистонов, которые могут приводить к активации либо репрессии транскрипции.

Модификации гистонов не имеют прямого влияния на структуру хроматина. Они либо понижают положительный заряд на хвостах гистонов, что приводит к их диссоциации от ДНК, либо способствуют связыванию белков, распознающими модифицированные гистоны. Например, хромодомен белка HP1 связывается с H3K9me. Подобный домен в белке Polycomb (Pc) распознает H3K27me.

Модификации на двух соседних аминокислотных остатках могут влиять друг на друга. Например, метилирование 9-ого лизина гистона Н3, который связывает белок HP1. В течение митоза и конденсации хроматина фосфорилируется 10-й серин, что приводит к снижению связывания HP1 с Н3K9me. Это связывание еще больше снижается, когда Н3 ацетилируется по 14-ому лизину. Различные модификации гистонов распознаются разными белками, имеющими специфические связывающие домены (такие как бромодомены и хромодомены). Эти белки могут иметь разнообразные функции, такие как рекрутирование других белков или ферментативную активность, таким образом выступая в качестве механизма перевода информации, закодированной в модификациях гистонов.

Результат модификаций гистонов

Гистоны синтезируются в цитоплазме, после чего транспортируются в ядро. Наиболее высокий уровень синтеза гистонов совпадает с S-фазой клеточного цикла, т.к. они необходимы клетке в этот период. Сразу после синтеза гистоны приобретают специфический модификационный паттерн и ассоциируются с шаперонами, которые облегчают их осаждение на ДНК.

Наиболее значительные изменения в структуре хроматина происходят во время транскрипции специфических генов, синтеза ДНК в течение S-фазы клеточного цикла и конденсации хромосом в течение митоза.

Ацетилирование

В новосинтезированных гистонах ацетилированы К5, К12 гистона Н4 и К18, К1 гистона Н3. В течение транспорта из цитоплазмы в ядро, гистоны приобретают дополнительные модификации (H3K9me, H3K56Ac).

Ацетилирование гистонов, как правило, ведет к активации транскрипции генов.

В транскрипционно активных областях хроматина высокое содержание моноацетилированных гистонов H3 и H4, что свидетельствует об их особой роли в процессе активации транскрипции. Моноцетилирование К6 – главная модификация гистона H4 в клетках животных. Удаление фермента, катализирующего модификацию H3K16 приводит к фрагментации ядра, что еще раз свидетельствует о важной роли этой модификации.

Ацетилированные гистоны располагаются в области промотеров генов. Ацетилирование гистонов происходит быстрее, чем метилирование.

Метилирование

Метилированные гистоны (за исключением H3K4me) располагаются по всей области генов.

Метилирование гистонов играет наиболее значительную роль в создании эпигенетической информации, в то время как остальные модификации имеют модулирующую функцию (например, могут иметь роль сигнальных молекул для приема внешнего сигнала хроматином).

Активно транскрибируемые районы генов: H3K4me2,3; H3K36me2,3

Репрессия транскрипции: H3K27me3; H4K20me3

Фосфорилирование

Фософорилирование гистонов совпадает с началом митоза, который начинается с фосфорилирования линкерного гистона H1. Хвосты (N-концевые части) коровых гистонов подвергаются фосфорилированию во время деления клетки (Т3, S10, S28 гистона Н3 и S1 гистона Н4).

Рис.1. Распределение модификаций гистонов в активных и «молчащих» генах.

Модификационные паттерны различаются в активно транскрибирующихся и «молчащих» генах (нуклеосомы a,c и гены b,d). Состояние активных генов показано на a и b. Внешний сигнал приводит к активации киназ (оранжевые), которые затем могут фосфорилировать гистоны и факторы транскрипции (TF, красный). Транскрипционные факторы затем связываются с областью промотора, облегчая связывание РНК-полимеразы II с ДНК (RNAPII, зеленый). С этого момента начинается транскрипция. В процессе элонгации РНК-полимераза II (фосфорилированная с С-конца) может взаимодействовать с модификаторами гистонов (розовый), например, с Set2, который метилирует H3K36. Нуклеосомы с промоторами активно транскрибирующихся генов имеют высокий уровень модификаций гистонов (ацетилирование и метилирование H3K4). Неактивные области генов (c и d) имеют достаточно равномерное распределение репрессирующих модификаций, таких как H3K9me, а промоторы этих генов обогащены модификациями H3K27me. Эти модифицированные гистоны связываются с HP1 (синий), таким образом приводя хроматин в конденсированное состояние.

Рис.2. Модификации гистонов в течение репликации.

Новосинтезированные нуклеосомы состоят из смеси старых и новых гистонов, несущих специфические модификации. Для сохранения эпигенетической информации, модификации гистонов должны быть скопированы от старых гистонов к новосинтезированным. Таким образом, хроматин в дочерних клетках будет таким же как и в материнской.

Рис.3. Различные типы модификаций гистонов на эпигенетическом ландшафте Уэддингтона.

Модель, предоставленная Конрадом Уэддингтоном, показывает как клетка становится все более и более детерминированной в процессе развития, а также увеличение дифференциации в процессе развития. Он сравнил развитие клетки с шаром, катящимся по долинам и возвышенностям к различным точкам назначения. На рисунке отражены различные типы модификаций гистонов, влияющих на развитие клетки. Динамические модификации гистонов (ацетилирование и фосфорилирование) меняют судьбу клетку в меньшей степени (зеленые стрелки), чем стабильные статические (метилирование), которые накапливаются в процессе развития и могут иметь большое влияние на окончательный вариант развития клетки (красная стрелка).