МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2013, том 47, № 5, с. 754-766
= ОБЗОРЫ =
УДК 577.214.39
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ТРАНСКРИПЦИИ ХРОМАТИНА
РНК-ПОЛИМЕРАЗОЙ 2
© 2013 г. О. И. Кулаева1,2, Н. В. Малюченко2, Д. В. Никитин2,3, А. В. Демиденко2,4, О. В. Чертков2, Н. С. Ефимова2, М. П. Кирпичников2, В. М. Студитский1,2*
1Department of Pharmacology, UMDNJ-Robert Wood Johnson Medical School, NJ 08854, USA 2Биологический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова,
Москва, 119991, Россия
3Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина Российской академии наук,
Пущино, Московская обл., 142290, Россия 4Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук, Москва, 127276, Россия
Поступила в редакцию и принята к печати 30.04.2013 г.
Механизм транскрипции хроматина РНК-полимеразой 2 (РНКП2) у разных организмов — от дрожжей до человека — консервативен. После инициации транскрипции РНКП2, как правило, останавливается перед нуклеосомой или в нуклеосоме, расположенной в ранней транскрибируемой области гена. Затем, преодолев этот барьер, полимераза транскрибирует протяженные участки ДНК, организованной в хроматин. При низкой или умеренной интенсивности транскрипции этот процесс сопровождается временным вытеснением димера гистонов H2A/H2B, а образовавшиеся "гексасомы" (субнуклеосомы, не содержащие один из димеров H2A/H2B) сохраняются за счет формирования небольших внутринукле-осомных петель ДНК. При умеренной интенсивности транскрипции структура нуклеосом восстанавливается до начала транскрипции следующим комплексом РНКП2. Этот механизм, вероятнее всего, обеспечивает сохранение "гистонового" кода при транскрипции. При высоком уровне транскрипции расстояние между транскрибирующими комплексами РНКП2 становится меньше, и вытесненный димер Н2А/Н2В не успевает реассоциировать и обеспечить восстановление полных нуклеосом. В этом случае следующий транскрибирующий комплекс РНКП2 сталкивается с гексасомой, которая имеет меньшее число ДНК-гистоновых контактов, чем нуклеосома; это приводит к вытеснению/обмену всех коровых гистонов при транскрипции. В транскрипции хроматина РНКП2 in vivo участвуют различные белковые факторы и шапероны гистонов.
Ключевые слова: хроматин, транскрипция, нуклеосома, нуклеосомный барьер, РНК-полимераза 2, фактор FACT.
MOLECULAR MECHANISMS OF TRANSCRIPTION THROUGH A NUCLESOME BY RNA POLYMERASE II, by O. I. Kulaeva1,2, N. V. Maluchenko2, D. V. Nikitin2'3, A. V. Demidenko2,4, O. V. Chertkov2, N. S. Efimova2, M. P. Kirpichnikov2, V. M. Studitsky1,2* ^Department of Pharmacology, UMDNJ-Robert Wood Johnson Medical School, Piscataway, NJ 08854, USA, *e-mail: Vasily.Studitsky@fccc.edu; 2Faculty of Biology, Moscow State University, Moscow, 119991 Russia; 3Skryabin Institute of Biochemistry and Physiology of Microorganisms, Russian Academy of Sciences, Pushchino, Moscow Region, 142290 Russia; 4Timiryasev's Institute of Plant Physiology, Russian Academy of Sciences, Moscow, 127276, Russia). The Pol II-type mechanism is conserved from yeast to human. After initiation of transcription, Pol II can be paused within the early transcribed region of a gene. Then Pol II overcomes the initial nucleosomal barrier, and efficiently proceeds through chromatin. At low- to moderate-level transcription progression of Pol II is characterized by displacement/exchange of only H2A/H2B dimer(s) and hexasome survival, likely mediated through formation of small intranucleosomal DNA loops. This mechanism helps to preserve the "histone" code during transcription. As the transcription rate is increased, the distance between transcribing Pol II complexes becomes shorter, and trailing Pol II complexes may encounter the hexasome formed after previous transcription round, before the H2A/H2B dimer re-binds to the hexasome. In this case an unstable intermediate with a smaller number of DNA—histone contacts is formed, resulting in eviction of the histone hexamer from DNA in vitro; there-
Принятые сокращения: ZLS (Zero-Loop-Stabilizing) — отрицательно заряженные участки РНК-полимераз; FACT (Facilitates Chromatin Transcription) — фактор транскрипции; РНКП2 — РНК полимераза 2; РНКП3 — РНК полимераза 3; ЭК — элонгационный комплекс; АЦ — активный центр; ПААГ — полиакриламид; HA (High Affinity) — область высокой аффинности.
* Эл. почта: Vasily.Studitsky@fccc.edu
fore here all core histones are evicted/exchanged in vivo. Various protein factors and histone chaperones are involved in chromatin transcription by Pol II in vivo.
Keywords: chromatin, transcription, elongation, nucleosome, RNA polymerase II, FACT. DOI: 10.7868/S0026898413050091
ВВЕДЕНИЕ
РНК-полимераза 2 (РНКП2), осуществляющая транскрипцию генов, представляет собой ге-теромультимерный комплекс из 12 различных субъединиц общей массой 0.5 МДа [1]. Во время транскрипции РНКП2 делает полный оборот каждые 10 п.н. вдоль спирали ДНК, продвигаясь через сильно компактизованную структуру хроматина [2]. Нуклеосомная упаковка хроматина существенно затрудняет как доступ ферментов и факторов транскрипции к ДНК, так и движение транскрибирующей РНКП2. Таким образом, нук-леосомы регулируют доступность ДНК, препятствуя или способствуя связыванию транскрипционных факторов и РНК-полимераз (РНКП) [3—8]. После инициации транскрипции на многих эука-риотических генах РНКП2 останавливается после транскрипции начальных 50—100 п.н. [9—11]; часто это происходит в результате столкновения с (+1)-нуклеосомой, расположенной в начале транскрибируемой области гена [12, 13]. Как только фермент преодолевает (+1)-нуклеосом-ный барьер, считывание следующих за ним протяженных участков ДНК (до более сотен т.п.н.), организованных в нуклеосомы, идет с высокой скоростью (3—4 т.п.н./минуту [14]). Такая скорость транскрипции наблюдается также in vitro на ДНК, свободной от гистонов [15, 16]. Это указывает на то, что (+1)-нуклеосома является одним из ключевых факторов в регуляции транскрипции на стадии элонгации.
При дальнейшей транскрипции гена полиме-разой наблюдаются различные изменения нукле-осомной структуры, сопровождаемые временным нарушением ДНК-гистоновых взаимодействий. При интенсивной транскрипции происходит частичная потеря [6, 17—20] и обмен [21—26] всех коровых гистонов (включая Н3/Н4) на транскрибируемых участках генов. При умеренной транскрипции, характерной для большинства транскрибируемых генов, потери нуклеосом не наблюдается [17—19, 27, 28]. Для этих генов характерен быстрый, зависимый от транскрипции, обмен только гистонов Н2А/Н2В, но не Н3/Н4 [23—25]. Кроме того, транскрипция вызывает временное разворачивание октамера гистонов. Известно, что интактная (нетранскрибируемая) нуклеосома не имеет реакционноспособных SH-групп, в то время как на транскрибируемых генах SH-группы гистонов Н3 становятся доступными для различных зондов [29—31]. При этом доступность SH-
групп коррелирует с процессом транскрипции [29. 30, 32]. Нарушения нуклеосомной структуры во время транскрипции in vivo носят временный характер, а сохранение хроматиновой структуры совершенно необходимо для нормального функционирования клеток [33, 34]. Необратимая потеря гистонов способствует формированию структуры хроматина, доступной для различных агентов, повреждающих ДНК [35, 36], и приводит к потере жизнеспособности клеток и преждевременному старению клетки [34].
НУКЛЕОСОМНЫЙ БАРЬЕР
При изучении транскрипции нуклеосом in vitro обнаружено, что РНКП2 останавливается в определенных позициях на нуклеосомной ДНК [37]. Определены два участка предпочтительных мест остановки ("паузирования") РНКП2, когда активный центр (АЦ) фермента находится на расстоянии примерно 15 и 45 п.н. от проксимальной к промотору границы нуклеосомной ДНК (далее по тексту — (+15)- и (+45)-участки) (рис. 1). Показано, что при транскрипции нуклеосом, сформированных на рандомизированных последовательностях ДНК, движение РНКП2 через участки (+15) и (+45) также замедлено. Предполагается, что эти участки соседствуют с участками ДНК-ги-стоновых взаимодействий повышенной аффинности, которая лишь частично зависит от последовательности ДНК. На большинстве нуклеосомных матриц именно барьер (+45) оказывается наиболее высоким и определяет общую скорость продвижения РНКП2 через нуклеосому [37].
Для картирования областей гистонов, участвующих в этих взаимодействиях и определяющих высоту нуклеосомного барьера для РНКП2, изучали транскрипцию нуклеосом, содержащих различные мутанты гистонов. Для экспериментов были выбраны четыре мутации класса Sin, которые уменьшают аффинность гистонов Н3 или Н4 к нуклеосомной ДНК [38]. Все эти мутации ослабляют ДНК-гистоновые взаимодействия в районе диадной оси нуклеосомы (участок (+60)— (+80), рис. 1) и существенно понижают нукле-осомный барьер в позиции (+45) нуклеосомной ДНК [39]. Это позволяет предположить, что барьер формируется тогда, когда передняя граница фермента (расположенная на расстоянии примерно 10—20 п.н. перед активным центром РНКП2), находится в области сильных ДНК-гистоновых взаи-
модействий в участке (+60)—(+80) нуклеосомной ДНК, а сам активный центр РНКП2 при этом находится в участке (+45) нуклеосомной ДНК.
Таким образом, ДНК-гистоновые взаимодействия на участке (+60)—(+80) нуклеосомной ДНК в значительной степени определяют общую высоту нуклеосомного барьера, формирующегося при транскрипции полимеразой. Сходные результаты получены при изучении ДНК-гистоновых взаимодействий методом разворачивания нуклеосом-ной ДНК с помощью лазерного "пинцета" [40]. В этих опытах показано, что нуклеосомы содержат три участка сильных ДНК-гистоновых взаимодействий ((+25)—(+35), (+60)—(+80) и (+115)— (+125)). Можно предположить — по аналогии с (+45)-барьером, - что нуклеосомный барьер в участке (+15) определяется, скорее всего, сильными ДНК-гистоновыми взаимодействиями на участке (+25)—(+35) (рис. 1).
Как уже отмечено выше, высота барьеров (+15) и (+45) только частично зависит от последовательности ДНК в областях (+25)—(+35) и (+60)—(+80), расположенных за 10—20 п.н. перед АЦ РНКП2. В то же время, мутации
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.