Гетерохроматин - Heterochromatin

Гетерохроматин это плотно упакованная форма ДНК или конденсированная ДНК, который существует в нескольких вариантах. Эти разновидности лежат в континууме между двумя крайностями конститутивный гетерохроматин и факультативный гетерохроматин. Оба играют роль в экспрессия генов. Поскольку он плотно упакован, считалось, что он недоступен для полимераз и поэтому не транскрибируется, однако, согласно Volpe et al. (2002),[1] и многие другие документы с тех пор,[2] большая часть этой ДНК фактически транскрибируется, но она постоянно перевернулся через РНК-индуцированное подавление транскрипции (РИТС). Недавние исследования с электронная микроскопия и OsO4 окрашивание показывает, что плотная упаковка не связана с хроматином.[3]

Конститутивный гетерохроматин может влиять на гены, расположенные рядом с ним (например, позиционно-эффектное разнообразие ). Это обычно повторяющийся и образует структурные функции, такие как центромеры или теломеры, помимо действия в качестве аттрактора для других сигналов экспрессии или репрессии генов.

Факультативный гетерохроматин является результатом генов, которые замолчать через такой механизм, как деацетилирование гистонов или Piwi-взаимодействующая РНК (пиРНК) через РНКи. Он не повторяется и имеет компактную структуру конститутивного гетерохроматина. Однако при определенных онтогенетических или средовых сигнальных сигналах он может потерять свою конденсированную структуру и стать транскрипционно активным.[4]

Гетерохроматин был связан с ди- и три-метилированием H3K9 в определенных частях генома.[5] H3K9me3 -Связанный метилтрансферазы по-видимому, играют ключевую роль в модификации гетерохроматина во время фиксации клонов в начале органогенез и в поддержании верности родословной.[6]

Ядро клетки человека, показывающее расположение гетерохроматина

Обратите внимание, что неформальная диаграмма, показанная здесь, может быть ошибочной в отношении расположения гетерохроматина. Инактивированная Х-хромосома (также известная как Тело Барра ) мигрирует только к ядерной мембране, оставляя активную Х и другие хромосомы внутри нуклеоплазмы (вдали от мембраны в целом). Другой гетерохроматин выглядит как частицы, отделенные от мембраны: «Гетерохроматин выглядит как маленькие, темные, неправильные частицы, разбросанные по ядру ...».[7]

Структура

Гетерохроматин против эухроматина

Хроматин встречается в двух разновидностях: эухроматин и гетерохроматин.[8] Первоначально эти две формы различались цитологически по тому, насколько интенсивно они окрашиваются: эухроматин менее интенсивен, а гетерохроматин окрашивается интенсивно, что указывает на более плотную упаковку. Гетерохроматин обычно локализован на периферии ядро Несмотря на эту раннюю дихотомию, недавние исследования у обоих животных[9] и растения[10] предположил, что существует более двух различных состояний гетерохроматина, и на самом деле он может существовать в четырех или пяти «состояниях», каждое из которых отмечено различными комбинациями эпигенетический Метки.

Гетерохроматин в основном состоит из генетически неактивных спутниковые последовательности,[11] и многие гены в разной степени репрессированы, хотя некоторые вообще не могут экспрессироваться в эухроматине.[12] И то и другое центромеры и теломеры гетерохроматичны, как и Тело Барра второй, инактивированной Х-хромосома в женском.

Функция

Общая модель дупликации гетерохроматина во время деления клетки

Гетерохроматин связан с несколькими функциями, от регуляции генов до защиты целостности хромосом;[13] некоторые из этих ролей можно отнести к плотной упаковке ДНК, которая делает ее менее доступной для белковых факторов, которые обычно связывают ДНК или связанные с ней факторы. Например, голые концы двухцепочечной ДНК обычно интерпретируются клеткой как поврежденная или вирусная ДНК, вызывая клеточный цикл арест Ремонт ДНК или уничтожение фрагмента, например эндонуклеазы в бактериях.

Некоторые участки хроматина очень плотно упакованы волокнами, состояние которых сопоставимо с состоянием хромосомы на митоз. Гетерохроматин обычно наследуется клонально; когда клетка делится, две дочерние клетки обычно содержат гетерохроматин в одних и тех же областях ДНК, что приводит к эпигенетическая наследственность. Вариации заставляют гетерохроматин вторгаться в соседние гены или отступать от генов на крайних участках доменов. Транскрибируемый материал может быть подавлен путем размещения (в СНГ) в этих граничных областях. Это приводит к повышению уровней экспрессии, которые варьируются от клетки к клетке,[14] что может быть продемонстрировано позиционно-эффектное разнообразие.[15] Изолятор последовательности могут действовать как барьер в редких случаях, когда конститутивный гетерохроматин и высокоактивные гены сопоставляются (например, инсулятор 5'HS4 перед локусом β-глобина курицы,[16] и локусы в двух Сахаромицеты виды[17][18]).

Конститутивный гетерохроматин

Основная статья: Конститутивный гетерохроматин

Все клетки данного вида упаковывают одни и те же участки ДНК в конститутивный гетерохроматин, и, следовательно, во всех клетках любые гены, содержащиеся в конститутивном гетерохроматине, будут плохо выразил. Например, все хромосомы человека 1, 9, 16, а Y-хромосома содержат большие области конститутивного гетерохроматина. У большинства организмов конститутивный гетерохроматин находится вокруг центромеры хромосомы и около теломер.

Факультативный гетерохроматин

Области ДНК, упакованные в факультативный гетерохроматин, не будут согласовываться между типами клеток внутри вида, и, таким образом, последовательность в одной клетке, которая упакована в факультативный гетерохроматин (а гены внутри нее экспрессируются слабо), может быть упакована в эухроматин в другой клетке. (и гены внутри больше не заглушаются). Однако образование факультативного гетерохроматина регулируется и часто связано с морфогенез или дифференциация. Примером факультативного гетерохроматина является Инактивация Х-хромосомы у самок млекопитающих: один Х хромосома упакован как факультативный гетерохроматин и замалчивается, тогда как другая Х-хромосома упакована как эухроматин и экспрессируется.

Среди молекулярных компонентов, которые, по-видимому, регулируют распространение гетерохроматина, находятся Белки группы поликомб и некодирующие гены, такие как Xist. Механизм такого распространения до сих пор вызывает споры.[19] Поликомб репрессивные комплексы PRC1 и PRC2 регулировать хроматин уплотнение и экспрессия генов и играют фундаментальную роль в процессах развития. PRC-опосредованный эпигенетический аберрации связаны с нестабильность генома и злокачественные новообразования и играют роль в Повреждение ДНК ответ, Ремонт ДНК и в верности репликация.[20]

Гетерохроматин дрожжей

Saccharomyces cerevisiae, или зародышевые дрожжи, это модель эукариот и его гетерохроматин был тщательно определен. Хотя большую часть его генома можно охарактеризовать как эухроматин, С. cerevisiae имеет участки ДНК, которые очень плохо транскрибируются. Эти локусы представляют собой так называемые локусы типа молчащего спаривания (HML и HMR), рДНК (кодирующую рибосомную РНК) и субтеломерные области.Schizosaccharomyces pombe ) использует другой механизм образования гетерохроматина на его центромерах. Подавление гена в этом месте зависит от компонентов РНКи путь. Полагают, что двухцепочечная РНК приводит к подавлению этого региона посредством ряда этапов.

В делящихся дрожжах Schizosaccharomyces pombeдва комплекса РНКи, комплекс RITS и комплекс РНК-направленной РНК-полимеразы (RDRC), являются частью механизма РНКи, участвующего в инициации, размножении и поддержании сборки гетерохроматина. Эти два комплекса локализуются в миРНК -зависимо от хромосом, в месте сборки гетерохроматина. РНК-полимераза II синтезирует транскрипт, который служит платформой для набора RITS, RDRC и, возможно, других комплексов, необходимых для сборки гетерохроматина.[21][22] И РНКи, и процесс деградации РНК, зависимый от экзосом, вносят вклад в молчание гетерохроматических генов. Эти механизмы Schizosaccharomyces pombe может встречаться и у других эукариот.[23] Большая структура РНК, называемая RevCen также участвует в производстве siRNAs, которые опосредуют образование гетерохроматина у некоторых делящихся дрожжей.[24]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Volpe TA, Kidner C, Hall IM, Teng G, Grewal SI, Martienssen RA (сентябрь 2002 г.). «Регулирование гетерохроматического сайленсинга и метилирования гистона H3 лизина-9 с помощью РНКи». Наука. 297 (5588): 1833–7. Дои:10.1126 / science.1074973. PMID  12193640. S2CID  2613813.
  2. ^ «Каковы текущие доказательства, свидетельствующие об активной транскрипции внутри ...» www.researchgate.net. Получено 2016-04-30.
  3. ^ Ou HD, Phan S, Deerinck TJ, Thor A, Ellisman MH, O'Shea CC (июль 2017 г.). «ChromEMT: визуализация трехмерной структуры хроматина и уплотнения в интерфазных и митотических клетках». Наука. 357 (6349): eaag0025. Дои:10.1126 / science.aag0025. ЧВК  5646685. PMID  28751582.
  4. ^ Обердорффер П., Синклер Д.А. (сентябрь 2007 г.). «Роль ядерной архитектуры в геномной нестабильности и старении». Обзоры природы. Молекулярная клеточная биология. 8 (9): 692–702. Дои:10.1038 / nrm2238. PMID  17700626. S2CID  15674132.
  5. ^ Розенфельд Дж.А., Ван З., Шонес Д.Э., Чжао К., ДеСалле Р., Чжан М.К. (март 2009 г.). «Определение модификаций обогащенных гистонов в негенных частях генома человека». BMC Genomics. 10 (1): 143. Дои:10.1186/1471-2164-10-143. ЧВК  2667539. PMID  19335899.
  6. ^ Никетто Д., Донахью Дж., Джайн Т., Пэн Т., Сидоли С., Шенг Л. и др. (Январь 2019). «Потеря H3K9me3-гетерохроматина в генах, кодирующих белок, делает возможной спецификацию линии развития». Наука. 363 (6424): 294–297. Дои:10.1126 / science.aau0583. ЧВК  6664818. PMID  30606806.
  7. ^ Здесь показано: Электронный микроскоп изображение ядра с аннотированными частицами гетерохроматина [1]
  8. ^ Элгин, С.С. (1996). «Гетерохроматин и регуляция генов в Дрозофила". Текущее мнение в области генетики и развития. 6 (2): 193–202. Дои:10.1016 / S0959-437X (96) 80050-5. ISSN  0959-437X. PMID  8722176.
  9. ^ ван Стенсель Б. (май 2011 г.). «Хроматин: построение общей картины». Журнал EMBO. 30 (10): 1885–95. Дои:10.1038 / emboj.2011.135. ЧВК  3098493. PMID  21527910.
  10. ^ Рудье Ф., Ахмед I, Берар С., Саразин А., Мэри-Юард Т., Кортижо С. и др. (Май 2011 г.). «Интегративное эпигеномное картирование определяет четыре основных состояния хроматина у Arabidopsis». Журнал EMBO. 30 (10): 1928–38. Дои:10.1038 / emboj.2011.103. ЧВК  3098477. PMID  21487388.
  11. ^ Лохе А.Р., Хилликер А.Дж., Робертс П.А. (август 1993 г.). «Картирование простых повторяющихся последовательностей ДНК в гетерохроматине Drosophila melanogaster». Генетика. 134 (4): 1149–74. ЧВК  1205583. PMID  8375654.
  12. ^ Лу BY, Emtage PC, Duyf BJ, Hilliker AJ, Eissenberg JC (июнь 2000 г.). «Белок гетерохроматина 1 необходим для нормальной экспрессии двух генов гетерохроматина у дрозофилы». Генетика. 155 (2): 699–708. ЧВК  1461102. PMID  10835392.
  13. ^ Гревал С.И., Цзя С. (январь 2007 г.). "Возвращение к гетерохроматину". Обзоры природы. Генетика. 8 (1): 35–46. Дои:10.1038 / nrg2008. PMID  17173056. S2CID  31811880. Актуальный отчет о текущем понимании повторяющейся ДНК, которая обычно не содержит генетической информации. Если эволюция имеет смысл только в контексте регуляторного контроля генов, мы предполагаем, что гетерохроматин, который является основной формой хроматина у высших эукариот, позиционируется как глубоко эффективная мишень для эволюционных изменений. Будущие исследования сборки, поддержания и многих других функций гетерохроматина прольют свет на процессы регуляции генов и хромосом.
  14. ^ Fisher AG, Merkenschlager M (апрель 2002 г.). «Генное молчание, судьба клеток и ядерная организация». Текущее мнение в области генетики и развития. 12 (2): 193–7. Дои:10.1016 / S0959-437X (02) 00286-1. PMID  11893493.
  15. ^ Жимулев, И.Ф.; и другие. (Декабрь 1986 г.). «Цитогенетические и молекулярные аспекты пестролистности эффекта позиции у Drosophila melanogaster». Хромосома. 94 (6): 492–504. Дои:10.1007 / BF00292759. ISSN  1432-0886. S2CID  24439936.
  16. ^ Берджесс-Бёсс Б., Фаррелл С., Гасзнер М., Литт М., Муцков В., Ресиллас-Тарга Ф. и др. (Декабрь 2002 г.). «Изоляция генов от внешних усилителей и подавление хроматина». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 99 Suppl 4 (Suppl 4): 16433–7. Дои:10.1073 / pnas.162342499. ЧВК  139905. PMID  12154228.
  17. ^ Allis CD, Grewal SI (август 2001 г.). «Переходы в различных паттернах метилирования гистона H3 на границах домена гетерохроматина». Наука. 293 (5532): 1150–5. Дои:10.1126 / science.1064150. PMID  11498594. S2CID  26350729.
  18. ^ Донзе Д., Камакака RT (февраль 2001 г.). «Промоторные комплексы РНК-полимеразы III и РНК-полимеразы II являются гетерохроматиновыми барьерами в Saccharomyces cerevisiae». Журнал EMBO. 20 (3): 520–31. Дои:10.1093 / emboj / 20.3.520. ЧВК  133458. PMID  11157758.
  19. ^ Talbert PB, Henikoff S (октябрь 2006 г.). «Распространение молчаливого хроматина: бездействие на расстоянии». Обзоры природы. Генетика. 7 (10): 793–803. Дои:10,1038 / nrg1920. PMID  16983375. S2CID  1671107.
  20. ^ Veneti Z, Gkouskou KK, Eliopoulos AG (июль 2017 г.). «Репрессорный комплекс Polycomb 2 при геномной нестабильности и раке». Международный журнал молекулярных наук. 18 (8): 1657. Дои:10.3390 / ijms18081657. ЧВК  5578047. PMID  28758948.
  21. ^ Като Х., Гото Д. Б., Мартиенсен Р. А., Урано Т., Фурукава К., Мураками Ю. (июль 2005 г.). «РНК-полимераза II необходима для РНКи-зависимой сборки гетерохроматина». Наука. 309 (5733): 467–9. Дои:10.1126 / science.1114955. PMID  15947136. S2CID  22636283.
  22. ^ Djupedal I, Portoso M, Spåhr H, Bonilla C, Gustafsson CM, Allshire RC, Ekwall K (октябрь 2005 г.). «РНК Pol II субъединица Rpb7 способствует центромерной транскрипции и РНКи-направленному подавлению хроматина». Гены и развитие. 19 (19): 2301–6. Дои:10.1101 / gad.344205. ЧВК  1240039. PMID  16204182.
  23. ^ Вавассер; и другие. (2008). «Сборка гетерохроматина и молчание транскрипционных генов под контролем ядерной РНКи: уроки делящихся дрожжей». РНК и регуляция экспрессии генов: скрытый уровень сложности. Caister Academic Press. ISBN  978-1-904455-25-7.
  24. ^ Джупедал И., Кос-Браун И.С., Мошер Р.А., Седерхольм Н., Симмер Ф., Хардкасл Т.Дж. и др. (Декабрь 2009 г.). «Анализ малых РНК у делящихся дрожжей; центромерные миРНК потенциально генерируются через структурированную РНК». Журнал EMBO. 28 (24): 3832–44. Дои:10.1038 / emboj.2009.351. ЧВК  2797062. PMID  19942857.

внешние ссылки