Введение
Компактная и высококонденсированная форма хроматина. Гетерохроматин – это плотно упакованная форма ДНК, или конденсированная ДНК, которая имеет несколько разновидностей. Эти разновидности расположены на континууме между двумя крайностями: конститутивным и факультативным гетерохроматином. Оба типа играют роль в экспрессии генов. Ранее считалось, что из-за плотной упаковки гетерохроматин недоступен для полимераз и, следовательно, не транскрибируется; однако, согласно Volpe et al. (2002) и многочисленным последующим исследованиям, значительная часть этой ДНК фактически транскрибируется, но постоянно обновляется посредством РНК-индуцированного транскрипционного подавления (RITS). Недавние исследования с использованием электронной микроскопии и окрашивания OsO4 показали, что плотная упаковка не обусловлена самим хроматином. Конститутивный гетерохроматин может влиять на близлежащие гены (например, вызывать вариацию позиционного эффекта). Обычно он состоит из повторяющихся последовательностей и выполняет структурные функции, такие как формирование центромер или теломер, а также служит аттрактором для других сигналов экспрессии или репрессии генов. Факультативный гетерохроматин образуется в результате подавления генов посредством механизмов, таких как деацетилирование гистонов или взаимодействие РНК Piwi (piRNA) через РНК-интерференцию (РНКi). Он не содержит повторяющихся последовательностей и обладает компактной структурой, характерной для конститутивного гетерохроматина. Однако под воздействием специфических сигналов развития или окружающей среды он может терять свою конденсированную структуру и становиться транскрипционно активным. Гетерохроматин ассоциирован с ди- и триметилированием H3K9 в определенных участках генома человека. Метилтрансферазы, связанные с H3K9me3, играют ключевую роль в модификации гетерохроматина в процессе определения клеточной линии на ранних стадиях органогенеза и поддержания стабильности клеточной линии.
Heterochromatin is a tightly packed form of DNA or condensed DNA, which comes in multiple varieties. These varieties lie on a continuum between the two extremes of constitutive heterochromatin and facultative heterochromatin. Both play a role in the expression of genes. Because it is tightly packed, it was thought to be inaccessible to polymerases and therefore not transcribed; however, according to Volpe et al. (2002), and many other papers since, much of this DNA is in fact transcribed, but it is continuously turned over via RNA induced transcriptional silencing (RITS). Recent studies with electron microscopy and OsO4 staining reveal that the dense packing is not due to the chromatin. Constitutive heterochromatin can affect the genes near itself (e. g. position effect variegation). It is usually repetitive and forms structural functions such as centromeres or telomeres, in addition to acting as an attractor for other gene expression or repression signals. Facultative heterochromatin is the result of genes that are silenced through a mechanism such as histone deacetylation or Piwi interacting RNA (piRNA) through RNAi. It is not repetitive and shares the compact structure of constitutive heterochromatin. However, under specific developmental or environmental signaling cues, it can lose its condensed structure and become transcriptionally active. Heterochromatin has been associated with the di and tri methylation of H3K9 in certain portions of the human genome. H3K9me3 related methyltransferases appear to have a pivotal role in modifying heterochromatin during lineage commitment at the onset of organogenesis and in maintaining lineage fidelity.
Структура
Хроматин существует в двух основных формах: эвхроматин и гетерохроматин. Изначально эти две формы различались цитологически по интенсивности окрашивания – эвхроматин окрашивается менее интенсивно, а гетерохроматин – интенсивно, что свидетельствует о более плотной упаковке. Гетерохроматин обычно локализуется на периферии ядра. Однако, несмотря на эту первоначальную дихотомию, недавние исследования на животных и растениях показали, что существует более двух различных состояний гетерохроматина, и он может существовать в четырех или пяти "состояниях", каждое из которых характеризуется различными комбинациями эпигенетических меток. Гетерохроматин в основном состоит из генетически неактивных спутниковых последовательностей, и экспрессия многих генов подавлена в разной степени, хотя некоторые гены не могут быть экспрессированы в эвхроматине вообще. Как центромеры, так и теломеры являются гетерохроматическими, равно как и тело Барра второй, инактивированной Х-хромосомы у женщин.
Функция
Гетерохроматин связан с различными функциями, от регуляции генов до защиты целостности хромосом; некоторые из этих ролей обусловлены плотной упаковкой ДНК, что снижает доступность для белковых факторов, обычно связывающихся с ДНК или ассоциированными с ней факторами. Например, свободные концы двухцепочечной ДНК обычно клеткой распознаются как поврежденная или вирусная ДНК, что приводит к остановке клеточного цикла, репарации ДНК или разрушению фрагмента, например, под действием эндонуклеаз у бактерий. Некоторые участки хроматина очень плотно упакованы в волокна, состояние которых сопоставимо с состоянием хромосомы в митозе. Гетерохроматин обычно наследуется по клональному типу; при делении клетки обе дочерние клетки, как правило, содержат гетерохроматин в одних и тех же регионах ДНК, что приводит к эпигенетическому наследованию. Вариации могут приводить к распространению гетерохроматина на соседние гены или к его отступлению от генов на границах доменов. Транскрибируемый материал может быть репрессирован за счет его расположения (в цис) в этих пограничных областях. Это приводит к различным уровням экспрессии в разных клетках, что может быть продемонстрировано вариацией эффекта положения. Изоляторные последовательности могут выступать в качестве барьера в редких случаях, когда конститутивный гетерохроматин и высокоактивные гены оказываются рядом друг с другом (например, изолятор 5'HS4 выше по течению от локуса β-глобина у цыпленка и локусы у двух видов Saccharomyces).
Составляющий гетерохроматин
Все клетки данного вида упаковывают одни и те же участки ДНК в конститутивный гетерохроматин, и, следовательно, в любых клетках гены, расположенные в конститутивном гетерохроматине, будут экспрессироваться слабо. Например, большие участки конститутивного гетерохроматина содержатся во всех человеческих хромосомах 1, 9, 16 и Y-хромосоме. У большинства организмов конститутивный гетерохроматин располагается вокруг центромер хромосом и вблизи теломер.
Факультативный гетерохроматин
Регионы ДНК, упакованные в факультативный гетерохроматин, не будут одинаковыми в разных типах клеток внутри одного вида, и, следовательно, последовательность в одной клетке, упакованная в факультативный гетерохроматин (и гены в ней слабо экспрессируются), может быть упакована в эвхроматин в другой клетке (и гены в ней перестанут быть подавлены). Однако формирование факультативного гетерохроматина регулируется и часто связано с морфогенезом или дифференцировкой. Примером факультативного гетерохроматина является инактивация Х-хромосомы у самок млекопитающих: одна Х-хромосома упаковывается в факультативный гетерохроматин и становится неактивной, в то время как другая Х-хромосома упаковывается в эвхроматин и экспрессируется. К молекулярным компонентам, которые, по-видимому, регулируют распространение гетерохроматина, относятся белки группы Polycomb и некодирующие гены, такие как Xist. Механизм такого распространения до сих пор остается предметом дискуссий. Репрессивные комплексы PRC1 и PRC2 регулируют компактизацию хроматина и экспрессию генов и играют фундаментальную роль в процессах развития. Эпигенетические нарушения, опосредованные PRC, связаны с геномной нестабильностью и злокачественными новообразованиями и играют роль в ответе на повреждение ДНК, репарации ДНК и обеспечении точности репликации.
Гетерохроматин дрожжей
Saccharomyces cerevisiae, или почкующиеся дрожжи, является модельной эукариотической клеткой, и её гетерохроматин был тщательно изучен. Хотя большая часть её генома может быть охарактеризована как эвхроматин, у S. cerevisiae имеются области ДНК, которые транскрибируются крайне слабо. К этим областям относятся так называемые локусы молчаливых типов спаривания (HML и HMR), рДНК (кодирующая рибосомальную РНК) и субтеломерные области. Дрожжи шизосахаромицеты (Schizosaccharomyces pombe) используют другой механизм формирования гетерохроматина в центромерах. Подавление генов в этом месте зависит от компонентов пути РНК-интерференции. Считается, что двухцепочечная РНК приводит к подавлению этой области посредством ряда этапов. У дрожжей Schizosaccharomyces pombe два РНК-интерференционных комплекса – комплекс RITS и комплекс РНК-зависимой РНК-полимеразы (RDRC) – входят в состав РНК-интерференционного механизма, участвующего в инициации, распространении и поддержании сборки гетерохроматина. Эти два комплекса локализуются на хромосомах в зависимости от siРНК, в месте сборки гетерохроматина. РНК-полимераза II синтезирует транскрипт, который служит платформой для рекрутирования RITS, RDRC и, возможно, других комплексов, необходимых для сборки гетерохроматина. Как РНК-интерференция, так и процесс деградации РНК, зависимый от экзосомы, способствуют гетерохроматическому подавлению генов. Эти механизмы Schizosaccharomyces pombe могут встречаться и у других эукариот. Большая РНК-структура, называемая RevCen, также была вовлечена в производство siРНК для опосредованного формирования гетерохроматина у некоторых дрожжей шизосахаромицетов.