УДК 577.2
ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНОСТЬ БЕЛКОВ PIWI В ОПРЕДЕЛЕНИИ СУДЬБЫ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК
Обзор
© 2013 г. Е.Ю. Якушев, О.А. Соколова, В.А. Гвоздев, М.С. Клёнов*
Институт молекулярной генетики РАН, 123182 Москва, пл. Академика Курчатова, 2; электронная почта: klenov@img.ras.ru
Поступила в редакцию 26.03.13
Белки РГОД, взаимодействующие с особым типом коротких РНК — р1РНК, подавляют экспрессию мобильных генетических элементов у животных. Кроме того, показано их участие во множестве клеточных процессов: в регуляции формирования гетерохроматина, включая структуры теломер, регуляции трансляции, контроле клеточного цикла, а также в перестройках ДНК. Впервые белки РГОД были обнаружены в связи с их ролью в самообновлении терминальных стволовых клеток. Роль этих белков в определении судьбы стволовых клеток является их характерной чертой, сохраняющейся в эволюции животных. Молекулярные механизмы, лежащие в основе этих процессов, остаются далекими от понимания. В обзоре рассматривается роль белков РГШ в контроле поддержания и пролиферации герминальных стволовых клеток, в связи с известной функцией РГШ в репрессии транспозонов.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: короткие РНК, РНК-сайленсинг, р1РНК, гетерохроматин, стволовые клетки, РГШ.
PIWI И piРНК САЙЛЕНСИНГ
Белки PIWI составляют подсемейство белков, входящее в семейство белков ARGONAUTE, которые связывают короткие интерферирующие РНК и осуществляют сиквенс-специфи-ческое подавление экспрессии генов по механизму РНК-интерференции [1, 2]. Название PIWI происходит от первого охарактеризованного представителя этой группы — белка Piwi дрозофилы [3]. Белки PIWI взаимодействуют с особым классом эндогенных коротких РНК — piPHK (Piwi interacting RNA), которые обычно имеют длину 23—31 нуклеотидов и принципиально отличаются по механизму образования и функциям от других хорошо изученных типов коротких РНК, таких как шюгоРНК и siРНК. Центральной функцией piРНК является подавление (сайленсинг) активности мобильных генетических элементов (транспозонов) и, следовательно, поддержание стабильности генома. В основе процессов сайленсинга с помощью piРНК, также как и РНК-интерференции, лежит узнавание РНК-мишени с помощью комплементарной ей молекулы короткой РНК [1, 2].
* Адресат для корреспонденции.
Белки РГЖГ и р1РНК присутствуют, в основном, в гонадах животных (семенниках и яичниках) и функционируют на различных стадиях развития герминальных клеток, хотя они обнаружены и в соматических тканях [4]. Преимущественно гонадо-специфичную экспрессию РГШ/ /р1РНК можно объяснить тем, что герминальные клетки, являющиеся предшественниками гамет, подвергаются наиболее сильному воздействию со стороны мобильных элементов, которые стремятся к размножению именно в этих клетках, так как это является единственной возможностью передать новые копии транспозонов следующим поколениям организма-хозяина. При перемещениях мобильные элементы могут вызывать различные дефекты, такие как повреждения белок-кодирующих генов, разрывы хромосом и геномные перестройки [1, 5]. Нарушения белков РГШ или других компонентов системы р1РНК-сай-ленсинга обычно приводят к стерильности. С другой стороны, преимущественная экспрессия РГШ в гонадах может быть связана с ролью этих белков в процессах поддержания и развития герминальных стволовых клеток. Обе эти функции РГШ консервативны в эволюции многоклеточных животных от губок до млекопитающих, однако их взаимосвязь остается неясной [4].
763
3*
В яичниках дрозофилы, которые служат объектом исследования механизмов piPHK сайлен-синга, большая часть piPHK образуется из транс-криптов определенных участков гетерохромати-на — piPHK-кластеров, преимущественно расположенных в перицентромерных и субтеломерных областях хромосом [6]. piPHK-кластеры составлены, в основном, из дефектных копий транспо-зонов, не способных перемещаться, и их фрагментов [7]. piPHK-кластеры транскрибируются с образованием длинных одноцепочечных РНК (преимущественно в антисмысловой полярности по отношению к мРНК мобильных элементов), которые разрезаются с образованием зрелых piPHK в ходе так называемого первичного про-цессинга. В отличие от двух других классов малых РНК — микроРНК (miPHK) и коротких интерферирующих РНК (siPHK), формирование piPHK происходит без участия нуклеаз Dicer, для которых субстратом служит двуцепочечная РНК [2, 8]. С помощью вспомогательных белков piPHK загружаются в РНП-комплексы с белками PIWI, которые подавляют экспрессию мобильных элементов, которые комплементарны piPHK. piPHK-кластеры представляют собой своего рода базу данных, содержащую образцы вредных для клетки последовательностей. Любой фрагмент ДHK, оказавшись в составе piPHK-кластера, будет служить источником piPHK, которые будут репрессировать все гомологичные этому фрагменту последовательности [9—11]. Механизмы транскрипции и процессинга piPHK-кластеров остаются непонятными. Hеизвестно, какие особенности одноцепочечной PHK, производимой piPHK-кластерами, отличают их от других клеточных PHK, которые не подвергаются нарезанию на piPHK. Предполагается, что хроматин piPHK-кластеров маркирован специфическими белками [12, 13].
piPHK также могут образовываться при участии амплификационной петли — т.н. пинг-понг амплификации. В ходе этого процесса комплекс PIWI c «антисмысловой» piPHK разрезает комплементарный транскрипт PHK мобильного элемента, формируя 5'-конец «смысловой» piPHK. Затем неизвестная нуклеаза образует З'-конец piPHK. Образовавшиеся таким образом вторичные piPHK могут затем инициировать вырезание новых «антисмысловых» piPHK из антисмысловых транскриптов piPHK-кластеров [7, 14]. Пинг-понг амплификация обнаружена у разных организмов [1, 2].
У Drosophila melanogaster существуют три белка, принадлежащих к подсемейству PIWI, связывающих piPHK: ядерный белок Piwi и цитоплаз-матические белки Aub и Ago-З. Яичники дрозофилы состоят из герминальных и соматических
клеток, в последних единственным механизмом образования piPHK является первичный про-цессинг, а в терминальных клетках основная масса piPHK формируется при пинг-понг амплификации [15]. Белок Piwi преимущественно загружается первичными piPHK и подавляет мобильные элементы в обоих видах клеток яичников, тогда как белки Aub и Ago-3 участвуют в пинг-понг амплификации piPHK и репрессируют транспозоны в цитоплазме герминальных клеток [15—17].
Наряду со свидетельствами участия piPHK в посттранскрипционной регуляции (разрезании транскриптов-мишеней) [7, 14, 18], некоторые белки Piwi в комплексе с piPHK подавляют экспрессию своих мишеней на уровне транскрипции, также как это показано и для других типов белков семейства Agonaute, находящихся в комплексе с siPHK или другими классами коротких PHK [19]. У мыши PIWI-белки Mili и Miwi2 участвуют в метилировании ДHK транс-позонов de novo [20, 21, 22]. Обнаружена роль piPHK-зависимого метилирования ДHK в родительском геномном импринтинге у мыши [23]. У нематоды С. elegans PIWI-белок Prg-1 вместе с хроматиновыми факторами участвует в инициации транскрипционного сайленсинга чужеродных трансгенов в герминальных клетках [24, 25]. У дрозофилы ядерный белок Piwi осуществляет подавление транскрипции транспозонов. Механизм такого подавления состоит, по-видимому, в том, что комплексы Piwi—piPHK взаимодействуют с комплементарными транскриптами, находящимися вблизи образовавших их участков хромосом. Предположительно, Piwi может привлекать к соответствующему локусу генома метил-трансферазы гистонов, осуществляющие ди- и триметилирование остатка K9 гистона H3, что приводит к рекрутированию белка гетерохрома-тина HP1 и подавлению транскрипции [26—29].
В ряде работ показано, что Piwi и другие белки системы piPHK дрозофилы участвуют в формировании гетерохроматина в соматических тканях вне гонад, а также в сайленсинге, осуществляемом белками группы Polycomb [30—34]. Механизмы этих процессов остаются малопонятными. При этом, мутации компонентов piPHK-системы дрозофилы приводят к стерильности и дефектам герминальных клеток, однако, как правило, не вызывает явных нарушений развития соматических тканей.
В то же время piPHK обнаружены в соматических стволовых клетках и различных органах помимо гонад, как у дрозофилы, так и других животных, включая млекопитающих [35—38]. Исследован ряд случаев участия piPHK и белков PIWI в процессах, происходящих в соматичес-
ких клетках, в частности, серотонин-зависимом метилировании ДНК промотора гена CREB2, ответственного за формирование долговременной памяти в нейронах моллюска Aplysia [39]. Обнаружено, что piPHK длиной 28 нуклеотидов задействованы в метилировании ДНК генов, кодирующих рецепторы в иммунных клетках-киллерах человека, обеспечивая их вариабельность [40].
Белки PIWI участвуют также в формировании структуры хромосом. У дрозофилы предполагается роль Piwi в регуляции структуры «кэпа» теломер за счет взаимодействия со специфическим классом коротких РНК, которые отличаются по длине от piPHK, репрессирующих транс-позоны [41]. Zili — один из двух PIWI белков, обнаруженных у рыбы Danio rerio, необходим для прохождения мейотических делений, что не связано с функцией этого белка в подавлении экспрессии мобильных элементов [42]. Одним из ярчайших примеров эволюционной адаптации системы PIWI-зависимой репрессии хроматина является элиминирование «лишних» последовательностей ДНК в процессе развития ядер у инфузорий [43].
У дрозофилы мутации белков PIWI приводят к целому ряду аномалий развития терминальной ткани и стерильности самок и частичной или полной стерильности самцов [3, 16, 44, 45]. Как следует из приведенного выше описания многообразия функций белков PIWI, причины этих аномалий могут быть различными. Некоторые из дефектов могут объясняться активацией экспрессии мобильных элементов или ролью этих белков в процессах формирования хроматина и структуры хромосом. В то же время, белки PIWI могут иметь специфические функции, связанные со стволовыми клетками.
PIWI И САМООБНОВЛЕНИЕ ГЕРМИНАЛЬНЫХ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК
Характерной чертой герминальных стволовых клеток (ГСК) являются ассиметричные деления, в результате которых образуется
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.