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.

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.