МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2015, том 49, № 3, с. 498-506
МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ
УДК 577.214.622
ЛОКУС СЛИТЫХ a/b-ГЛОБИНОВЫХ ГЕНОВ Danio гег'ю СЕГРЕГИРОВАН НА СТРУКТУРНЫЕ СУБДОМЕНЫ, ЭКСПРЕССИРУЮЩИЕСЯ НА РАЗНЫХ СТАДИЯХ РАЗВИТИЯ
© 2015 г. К. В. Долгушин1#, Е. С. Юдинкова^, Н. В. Петрова1, С. В. Разин1, 2, О. В. Яровая1*
Институт биологии гена Российской академии наук, Москва 119334 2Биологический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Москва 119992
Поступила в редакцию 10.11.2014 г.
Принята к печати 17.11.2014 г.
В рамках гипотезы доменной организации функциональной единицей генома считается ген или семейство генов с комплексом собственных регуляторных элементов. Домены a- и Ь-гло6иновых генов теплокровных позвоночных организованы принципиально разным образом и расположены на разных хромосомах. У холоднокровных позвоночных, в частности у тропической рыбки Danio гепо, a- и Ь-гло6ино-вые гены локализованы в едином генном кластере. Домен aí/b-глобиновых генов D. гепо разделен на два функциональных стадиеспецифичных субдомена: взрослый и эмбрионально-личиночный. В представленной работе мы попытались ответить на вопрос о том, сопровождается ли функциональная сегрегация формированием отдельных структурных субдоменов, различающихся по степени компактизации хроматина. Нами была сопоставлена нуклеазная чувствительность a- и Ь-гло6иновых генов эмбрионально-личиночного и взрослого субдоменов в неэритроидных клетках и охарактеризовано распределение модифицированных форм гистонов в составе хроматина слитого домена a/b-глобиновых генов. Мы показали, что по ДНКазной чувствительности и по содержанию H3K27me3, PRC2-зависимой репрессирующей модификации гистона Ш в хроматине неэритроидных клеток взрослые и эмбрионально-личиночные гены существенно различаются, в силу чего можно утверждать, что функциональная сегрегация сопровождается структурным обособлением стадиеспецифичных субдоменов.
Ключевые слова: доменная и субдоменная организация генома, a/b-глобиновые гены, хроматин, Danio гепо.
THE JOINT LOCUS OF a/b-GLOBIN GENES IN Danio rerio IS SEGREGATED INTO STRUCTURAL SUBDOMAINS ACTIVE AT DIFFERENT STAGES OF DEVELOPMENT, by K. V. Dolgushin1*, N. V. Petrova1*, E. S. ludinkova1, S. V. Razin1, 2, O. V. larovaia1* (institute of Gene Biology, Russian Academy of Sciences, Moscow, 119334 Russia, *e-mail: iarovaia@inbox.ru; Biology Department, Moscow State University, Moscow, 119991 Russia). In the frames of the domain model of eukaryotic genome organization the functional unit of the genome is considered to be a gene or a gene family along with the relevant regulatory elements. In hot-blooded vertebrate animals the domains of a- and b-globin genes are positioned at different chromosomes and are organized and regulated in different fashion. In cold-blooded animals, in particular, in tropical fish Danio rerio, а- and b-globin genes are located in a common gene cluster. However, the joint a/b-globin gene cluster is subdivided into two development stage-specific sub-domains, the adult one and the embryonic-larval one. In an attempt to find out whether this functional segregation correlates with structural segregation of the domain we compared the DNase I sensitivity and profiles of histone modifications of adult and embryonic-larval segments of the domain in cultured D. rerio fibroblasts. We have demonstrated that in these non-erythroid cells the adult and embryonic-larval sub-domains possess different DNase I sensitivity and different profiles of H3K27me3, a histone modification introduced by PRC2 complex. These observations suggest that joint a/b globin gene domain of Danio rerio is segregated into two structural sub-domain harboring adult and embryonic-larval globin genes.
Keywords: domains and subdomains within eukaryotic genome, a/b-globin genes, chromatin, Danio rerio. DOI: 10.7868/S0026898415030040
Принятые сокращения: MRE (Main Regulatory Element) — главный регуляторный элемент; LCR (Locus Control Region) — область контроля локуса; NaBut — бутират натрия; КИП — коктейль ингибиторов протеиназ.
# Эти авторы внесли равный вклад в работу.
* Эл. почта: iarovaia@inbox.ru
ВВЕДЕНИЕ
В рамках гипотезы доменной организации функциональной единицей генома считается ген или семейство генов с комплексом собственных регуляторных элементов [1]. Традиционной моделью для изучения доменной организации генома служат тканеспецифичные гены, в частности гены, кодирующие а- и b-глобиновые цепи молекулы гемоглобина [2—4]. У теплокровных функционально и эволюционно близкородственные a- и b-глобиновые гены расположены на разных хромосомах и организованы в хроматиновые домены принципиально разного типа. Домен а-глобино-вых генов относится к группе доменов открытого типа: а-глобиновые гены глубоко интегрированы с фланкирующими генами: главный регулятор -ный элемент домена, эритроидспецифичный эн-хансер (MRE), расположен в интроне соседнего гена домашнего хозяйства хозяйства [5, 6]. В ходе эритроидной дифференцировки а-глобиновые гены привлекаются к предсуществующей, образованной соседними генами домашнего хозяйства, транскрипционной фабрике [7]. Как в эритроидных, так и в неэритроидных клетках а-глобиновые гены реплицируются в начале S-фа-зы клеточного цикла. Активация а-глобиновых генов в ходе эритроидной дифференцировки не сопровождается принципиальными изменениями конфигурации хроматина: в неэритроидных клетках домен находится в потенциально-активном ДНКазочувствительном состоянии [8].
Классический пример доменов закрытого типа — домен b-глобиновых генов теплокровных. В эритроидных клетках хроматин в составе b-глобинового домена чувствителен к ДНКазе I и рано реплицируется. В неэритроидных клетках домен b-глобиновых генов относительно устойчив к обработке ДНКазой I и реплицируется в конце S-фазы [2, 9, 10]. Домен b-глобиновых генов окружен кластером генов обонятельных рецепторов [11] и изолирован от них инсулятора-ми, которые организовывают его в изолированную петлю хроматиновой фибриллы [12]. Домен b-глобиновых генов находится под контролем удаленного регуляторного элемента (LCR), который не только обеспечивает эритроид-специфи-ческий характер экспрессии, но также определяет хроматиновый статус и время репликации домена [9, 13, 14]. Разная доменная организация и геномный контекст а- и b-глобиновых генов ко-реллируют с существенными различиями в механизмах регуляции их экспрессии.
Различия в доменной организации а- и b-гло-биновых генов имеют относительно недавнее эволюционное происхождение: у общего предка позвоночных а- и b-глобиновые гены были кластеризованы на одной хромосоме [15—17]. Сегрегация b-глобинового домена произошла в резуль-
тате разрыва хромосомы или транслокации исходного дуплицированного домена, либо его части. У современных холоднокровных, так же как у общего предка позвоночных, а- и Ь-глоби-новые гены представляют собой единый кластер, поэтому особенности структурно-функциональной организации домена слитых а/Ь-глобиновых генов интересны с точки зрения изучения эволюции механизмов регуляции транскрипции у позвоночных. Хорошей моделью для изучения слитого кластера а- и Ь-глобиновых генов служит тропическая рыбка Бап1о ггпо, традиционный модельный организм в молекулярно-биологиче-ских исследованиях [18]. Слитый кластер а/Ь-гло-биновых генов присутствует на двух хромосомах в так называемых главном и минорном локусах 3-ей и 12-ой хромосом. Главный локус, расположенный на 3-ей хромосоме, содержит 13 а- и Ь-глобиновых генов, экспрессирующихся на "эмбрионально-личиночной" и "взрослой" стадиях (рис. 1). Отдельные а-глобиновые и Ь-глобиновые кластеры отсутствуют; а- и Ь-глобиновые гены в составе слитого кластера чередуются на протяжении всей длины домена. По времени экспрессии в индивидуальном развитии кластер сегрегирован на отдельные стадиеспецифичные субдомены: эмбрионально-личиночный и взрослый. Эмбрионально-личиночные и взрослые гены изолированы друг от друга, стадиеспецифичные субдомены разделены спейсером длиной около 9 т.п.н. В эмбрионально-личиночном и взрослом субдоменах слитого локуса а/Ь-глобиновых генов главного ло-куса находится по несколько а- и Ь-глобиновых генов, причем а- и Ь-глобиновые гены взрослого субдомена расположены "голова к голове" (Ь, 3'—5'; а, 5'—3'), гены эмбрионально-личиночного субдомена — "хвост к хвосту" (Ь, 5'—3'; а, 3'—5'). Интересная особенность домена глобиновых генов Б. гвпо — дуплицированность и а-, и Ь-глобиновых генов.
В ходе индивидуального развития происходит переключение экспрессии глобиновых генов. Экспрессия эмбрионально--личиночных генов продолжается первые три недели жизни эмбриона и затухает на 24-ый день индивидуального развития. После 24-го дня происходит переключение с эмбрионально-личиночного на дефинитивный эритропоэз: начинают транскрибироваться гены взрослого субдомена главного кластера.
Слитый домен холоднокровных является ор-тологом домена а-глобиновых генов теплокровных и находится под контролем удаленного эритроидспецифичного энхансера (МЯБ), расположенного в соседнем гене домашнего хозяйства и предположительно активирующего работу как а-, так и Ь-глобиновых генов и взрослого, и эмбрионально-личиночного субдоменов [18]. Возможно, МЯБ не только определяет эритроид-спе-цифический характер экспрессии всего домена,
Рис. 1. Структура домена слитых а/Ь-глобиновых генов Б. гвпо (главный локус). Темно-серым выделен взрослый субдомен, светло-серым — спейсер между эмбрионально-личиночным и взрослым субдоменами, серым — эмбрионально-личиночный субдомен. Здесь и далее: ае — эмбриональнально-личиночный ген а-глобина, Ье — эмбриональнально-ли-чиночный ген Ь-глобина, аа — взрослый ген а-глобина, Ьа — взрослый ген Ь-глобина.
но и участвует в переключении экспрессии с эмбрионально-личиночного на взрослый тип.
Таким образом, домен слитых а/Ь-глобиновых генов четко разделен на два стадиеспецифичных субдомена, содержащих как а-, так и Ь-глобино-вые составляющие. Каким образом при наличии общего регуляторного элемента происходит ста-диеспецифичная актив
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.