МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2010, том 44, № 6, с. 966-979
= ОБЗОРЫ
УДК 577.218
СТРУКТУРА ХРОМАТИНА И РЕГУЛЯЦИЯ ТРАНСКРИПЦИИ
У Saccharomyces cerevisiae
© 2010 г. С. А. Осипов*, О. В. Преображенская, В. Л. Карпов
Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта Российской академии наук, Москва, 119991
Поступила в редакцию 04.05.2010 г. Принята к печати 10.06.2010 г.
В клетках эукариот доступность различных участков генома для регуляторных факторов определяется нук-леосомной организацией ДНК. Позиционирование нуклеосом в промоторных областях считается важным фактором, влияющим на экспрессию генов. Недавно показали, что гены дрожжей содержат промоторы двух классов с различной организацией хроматина. Оказалось, что гены, обладающие сходной структурой хроматина в области промотора, регулируются с помощью одних и тех же механизмов. В представленном обзоре на примере дрожжей Saccharomyces cerevisiae обсуждается взаимосвязь между транскрипцией и структурой хроматина, динамические изменения хроматина в ходе транскрипции и роль различных факторов (шаперонов ги-стонов, комплексов ремоделирования хроматина, гистона H2A.Z) в этих процессах.
Ключевые слова: хроматин, транскрипция, нуклеосома, посттрансляционные модификации гистонов, комплексы ремоделирования хроматина, шапероны гистонов, H2A.Z.
CHROMATIN STRUCTURE AND TRANSCRIPTION REGULATION IN Saccharomyces cerevisiae, by S.A. Osipov*, O. V. Preobrazhenskaya, V. L. Karpov (Engelhardt Institute of Molecular Biology, Russian Academy of Science, Moscow, 119991 Russia; *e-mail: Sergey.Osipolf@gmail.com). Nucleosome organization of eukaryotic chromatin determines the DNA availability for regulatory factors during transcription. Nucleosome positioning at promoters is an important factor effecting gene expression. Recent studies showed that yeast promoters can be divided in two groups with the different chromatin organization. It has become clear that genes with the similar chromatin structure in promoters are regulated by the same mechanisms. In this review, using Saccharomyces cerevisiae as example, we discuss interplay between chromatin structure and transcription, dynamic changes in chromatin during transcription and a role of various factors (histone chaperones, remodeling complexes, histone variant H2A.Z) in these processes.
Keywords: chromatin, transcription, nucleosome, histone posttranslational modifications, chromatin remodeling complexes, histone chaperones, H2A.Z.
В клетках эукариот ДНК существует в виде многокомпонентного комплекса с белками, называемого хроматином. Основная структурная единица хроматина — нуклеосома, представляет собой октамер гистонов, связанный с 147 п.н. ДНК [1]. Гистоновый октамер состоит из тетрамера (Н3—Н4)2, занимающего центральное положение на ДНК, и двух прилегающих к нему димеров (Н2А—Н2В). Полипептидная цепь каждого гистона формирует три спирали ("гистоновый фолд"), обеспечивающих образование октамера, и двух неструктурированных "хвостов". Термин "нуклеосома" in vitro и in vivo объединяет большое семейство динамичных и статичных структур с различным стехиометрическим соотношением гистонов. Нуклеосомная ДНК в разных ор-
ганизмах содержат от 100 до 170 п.н. [2—4]. Так в транскрипционно активном хроматине образуются гексасомы — частицы, лишенные одного димера (Н2А—Н2В), и тетрасомы, состоящие только из тетрамера (Н3—Н4)2 [5, 6]. Расположение нуклеосом в геноме во многом определяется физическими свойствами ДНК. Установлено, что в нуклеосомной ДНК динуклеотиды АА/ТТ и ОС чередуются каждые полвитка спирали. Такое расположение динук-леотидов облегчает плотную укладку ДНК в составе нуклеосомы, обеспечивая образование противоположно направленных изгибов. Динуклеотиды ЯУ и АА/ТТ изгибаются преимущественно в малую бороздку, тогда как УЯ и ОО/СС — в большую [7]. С другой стороны, поли(дЛ:ёТ)-последовательности
Принятые сокращения: TBP — ТАТА-связывающий белок (TATA binding protein); SAGA — ацетилаза Spt-Ada-Gcn5 (Spt-Ada-Gcn5 acetylase); Napl — белок сборки нуклеосом 1 (Nucleosome assembly protein 1); Asfl — белок с функцией антисайленсинга 1 (Antisi-lencing function 1); NDR — свободный от нуклеосом регион (Nucleosome depleted region); NuA4 — нуклеосомная гистон-ацетил-трансфераза Н4 (Nucleosomal acetyltransferase histone H4); SWI/SNF — комплекс, определяющий дефицит переключения/неферментации сахарозы (SWItching deficient/Sucrose NonFermenting); ISWI — имитация переключения (Imitation of SWItching); RSC — комплекс ремоделирования структуры хроматина (Remodel the structure of chromatin); Chd1 — модификатор организации хроматина, хеликаза и ДНК-связывающий домен 1(Chromatin organization modifier, helicase, and DNA-binding domain 1); FACT — комплекс, облегчающий транскрипцию хроматина (Facilitate chromatin transcription).
* Эл. почта: Sergey.OsipofT@gmail.com
обладают жесткой структурой и препятствуют формированию нуклеосом, и поэтому участки с такими последовательностями свободны от нуклеосом [8]. Хотя специфические параметры нуклеотидной последовательности и определяют термодинамически выгодное расположение нуклеосом, в клетках эука-риот in vivo позиции нуклеосом зависят от функционирования комплексов транскрипции и комплексов ремоделирования хроматина [9, 10]. Расположение (позиционирование) нуклеосом важно для доступности ДНК для белков, поэтому оно часто играет ключевую роль в регуляции транскрипции. Таким образом, в клетках эукариот структура хроматина и транскрипция тесно взаимосвязаны.
ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ НУКЛЕОСОМ
Существуют два типа позиционирования нуклеосом: трансляционное и ротационное. Трансляционное позиционирование отражает расположение нуклеосомы относительно определенного локуса ДНК. Позиционированные таким образом нукле-осомы локализованы одинаково во всех клетках. Непозиционированные нуклеосомы не имеют четкого расположения, т.е. в различных клетках один и тот же локус по-разному занят нуклеосомами. Ротационное позиционирование определяется ориентацией нуклеосомной ДНК относительно гистоново-го кора. В клетке трансляционное позиционирование нуклеосом контролируется различными факторами (комплексами ремоделирования хроматина, шаперонами гистонов, транскрипционной машинерией), тогда как ротационное позиционирование зависит в основном от физических свойств ДНК [9]. Большинство факторов транскрипции, например, факторы с ДНК-связывающим доменом типа "цинковые пальцы", способны взаимодействовать только со свободной ДНК, поэтому присутствие нуклеосомы на их сайтах связывания инги-бирует транскрипцию [11]. Сайты связывания факторов, взаимодействующих с нуклеосомной ДНК, должны располагаться с внешней стороны нукле-осомы. Консервативные сайты связывания находятся преимущественно на нуклеосомной ДНК в больших бороздках с периодичностью 10 н. [12]. Так, Rapl узнает свой сайт связывания только в том случае, если он находится на ротационно экспонированных первой и второй больших бороздках от края нуклеосомы [13, 14]. Взаимодействие факторов транскрипции с хроматином облегчается собственной конформационной подвижностью нуклеосом. ДНК в составе нуклеосомы спонтанно отделяется (диссоциирует) от гистонового кора каждые 250 мс и снова связывается с ним в течение 10—50 мс [15, 16]. Это позволяет факторам транскрипции связываться с ДНК, входящей в нуклеосому (рис. 1). Более того, динамическая ассоциация—диссоциация молекулы ДНК с гистоновым кором определяет скорость транскрипции нуклеосомной ДНК. РНК-полиме-раза II способна продвигаться через нуклеосому только при условии частичного отделения ДНК от
JLJUL
и
MJL
JL^LJ)-
Рис. 1. Динамическая ассоциация—диссоциация ДНК и гистонов позволяет белковым факторам взаимодействовать с нуклеосомной ДНК.
гистонового кора [17]. Посттрансляционные модификации гистонов повышают частоту диссоциации ДНК от гистонов и могут, таким образом, способствовать транскрипции. Например, ацетилирование Lys56 в гистоне H3 повышает частоту спонтанной диссоциации ДНК в 7 раз [18]. In vitro при физиологических условиях нуклеосомы проявляли способность к изменению локализации, не связанному с диссоциацией и зависящему от температуры и ионной силы [19]. Этот эффект, получивший название скольжения (sliding) нуклеосом, подразумевает существование статистического набора положений нуклеосомы. Таким образом, преимущественный захват нуклеосомами нескольких близлежащих позиций соответствует трансляционному позиционированию. Скольжение нуклеосом in vivo происходит с участием комплексов ремоделирования хроматина и шаперонов гистонов [20, 21]. На слайдинг нукле-осом могут влиять модификации гистонов и связывание факторов транскрипции [22, 23].
КОМПЛЕКСЫ РЕМОДЕЛИРОВАНИЯ ХРОМАТИНА
Комплексы ремоделирования хроматина участвуют в перестройках хроматина в ходе таких процессов, как репликация, репарация и транскрипция. Используя энергию АТР они обеспечивают удаление, изменение состава нуклеосом и их перемещение вдоль молекулы ДНК. По наличию консервативных доменов в каталитической субъединице выделяют несколько семейств комплексов ремоделирования: SWI/SNF, ISWI, Chdl, INO8O [24]. У S. cerevisiae каталитические субъединицы внутри каждого семейства комплексов ремоделиро-вания возникли в результате дупликации генов и представляют собой паралоги — это Snf2 и Sthl из SWI/SNF и RSC, Ino80 и Swrl из комплексов INO80 и SWR. Комплексы SWI/SNF, INO8O, RSC участвуют в перемещении и удалении нуклеосом в процессе транскрипции [24]. Комплекс SWR обеспечивает встраивание гистона H2A.Z в состав нуклеосом [25— 27]. Комплексы ISWI регулируют, в основном, меж-нуклеосомные расстояния, передвигая нуклеосомы [28]. У дрожжей Chdl входит в состав коактиватора транскрипции SAGA, где он не только проявляет АТРазную активность, но и взаимодействует с метилированным Lys4 гистона Н3 [29]. Рекрутирование комплексов ремоделирования хроматина происходит при помощи нескольких механизмов. Во-первых, через взаимодействие с факторами транскрипции [30—32]. Во-вторых, за счет прямого узнавания субъединицами комплексов ремоделирования определенных нуклеотидных послед
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.