БИОХИМИЯ, 2015, том 80, вып. 8, с. 1181 - 1185
УДК 577.214.39
РЕПРЕССИЯ ТРАНСКРИПЦИИ ПРИ ТЕПЛОВОМ СТРЕССЕ
Мини-обзор
© 2015 О.Л. Кантидзе1, А.К. Величко1, С.В. Разин12*
1 Институт биологии гена РАН, 119334 Москва; факс: +7(499)135-4105, электронная почта: sergey.v.razin@usa.net 2 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, биологический факультет, 119991 Москва; факс: +7(495)939-4309
Поступила в редакцию 25.02.15 После доработки 09.04.15
Тепловой стресс является одной из излюбленных моделей для изучения регуляции экспрессии генов. На протяжении десятилетий внимание исследователей было сконцентрировано на изучении механизмов активации транскрипции стресс-индуцируемых генов. Несмотря на то, что давно известно о феномене глобального снижения транскрипционной активности при тепловом стрессе, механизмы такой репрессии малоизу-чены. В данном мини-обзоре мы обобщили имеющиеся экспериментальные данные об индуцируемой тепловым стрессом репрессии транскрипции у млекопитающих.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: транскрипция, экспрессия генов, тепловой шок, РНК-полимераза II, РНК-полиме-раза III SINE, CGGBP1.
Тепловой шок (стресс) является одной из классических биологических моделей для изучения реакции клеток и живых организмов на стресс. В клеточном ответе на тепловой стресс задействованы практически все клеточные ком-партменты. Достаточно хорошо исследовано влияние теплового стресса на важнейшие клеточные процессы, такие как репликация и репарация ДНК, транскрипция, сплайсинг, трансляция [1, 2]. Однако стоит отметить, что на протяжении всей истории изучения теплового стресса исследователей особо интересовал вопрос о его влиянии на процесс транскрипции. История исследований клеточного ответа на тепловой стресс началась с открытия в 1962 г. индуцированной тепловым стрессом транкрипционной активации у Drosophila [3, 4]. Это открытие послужило толчком к обнаружению большого и важного семейства факторов, экспрессия которых индуцируется тепловым стрессом, — белков теплового шока (HSPs, heat shock proteins [5, 6]). Все последующие десятилетия основное внимание исследователей было сконцентрировано на
Принятые сокращения: HSPs — белки теплового шока; HSFs — факторы теплового шока; SINE — малые диспергированные повторы.
* Адресат для корреспонденции.
изучении механизмов регуляции экспрессии HSPs и их функционального значения [7—10]. Однако пока еще нет четкого представления о том, как на глобальном уровне изменяется транскрипционный статус клетки в ответ на тепловой стресс, и что происходит с транскрипционным аппаратом. Распространённым является мнение, что одновременно с активацией экспрессии небольшого числа необходимых для клеточного ответа на стресс генов общий уровень транскрипционной активности падает. Механизмы активации экспрессии стресс-индуцируемых генов достаточно хорошо изучены [1, 11]. Одним из наиболее хорошо исследованных является механизм активации экспрессии генов HSPs, связанный с работой транскрипционных факторов теплового шока (HSFs), способных связываться с регуляторными элементами в промо-торных областях стресс-индуцируемых генов, стимулируя их транскрипцию [12, 13]. При нормальных условиях большинство HSFs находятся в комплексе с ЖР70 или ЖР90, которые взаимодействуют с активационным доменом HSF1. При тепловом стрессе ЖР70 и ЖР90 переключаются на взаимодействие с денатурированными белками, освобождая HSF и стимулируя собственную экспрессию. Экспрессия повышается до тех пор, пока количество ЖР70 и ЖР90
1182
КАНТИДЗЕ и др.
вновь не станет достаточным для блокирования активационного домена HSFs [7]. Этот механизм активации генов при тепловом стрессе не является единственным [14]. В этой связи стоит отметить, что при тепловом стрессе повышается экспрессия не только HSPs, но и целого ряда других белков (регуляторы шаперонов, белки систем пострансляционной модификации, про-теасомной деградации, сигнальной трансдук-ции, мембранного транспорта и общего метаболизма) [15] и микроРНК [16]. Данные нескольких исследований по идентификации дифференциально--экспрессирующихся при тепловом стрессе генов свидетельствуют о том, что спектр активируемых генов может меняться в зависимости от клеточной линии и использованной для индукции температуры, но общее число активируемых генов обычно не превышает нескольких сотен [15, 17—20]. Стоит, однако, иметь в виду, что количество активируемых генов может увеличиваться многократно в течение нескольких часов после теплового стресса [20], а также то, что в некоторых клеточных моделях происходит активация большего, чем обычно, количества генов (более 1000 генов активируется при тепловом стрессе клеток линии HUVEC [18]).
Если активации экспрессии стресс-индуци-руемых генов не вызывает особых вопросов, то утверждение о глобальной репрессии транскрипции, происходящей при тепловом стрессе, не столь однозначно. Попытка разобраться, на чем основано такое мнение, приведет вас к нескольким достаточно старым экспериментальным работам [21—24]. Более того, почти все исследования, свидетельствующие о глобальном падении уровня транскрипции в клетке при тепловом шоке, проведены с использованием клеток Drosophila [21—23]. Это важно учитывать, поскольку предполагаемые механизмы транскрипционной репрессии в клетках плодовой мухи и млекопитающих могут отличаться [25—27]. Гораздо меньше экспериментальных данных, демонстрирующих глобальное падение транскрипционной активности в клетках млекопитающих [24, 28]. Показано, что тепловой стресс ингиби-рует синтез «высокомолекулярной РНК» (рРНК и предшественники мРНК), но не влияет на продукцию «низкомолекулярной РНК» (транскрипты РНК-полимеразы III) [24]. В той же работе было продемонстрировано, что in vitro все РНК-полимеразы в разной степени, но сохраняли после теплового стресса свою активность [24]. Упоминавшийся выше анализ экспрессии генов, проведенный с помощью технологии ДНК-чипов, показал, что при тепловом стрессе клеток млекопитающих подавляется (более чем в
два раза) экспрессия всего нескольких сотен генов [15, 17—20]. Количество и спектр генов, экспрессия которых подавляется при тепловом стрессе, также зависят от типа клеток и температуры. Согласно нескольким исследованиям списки генов, экспрессия которых падает при тепловом стрессе, достоверно обогащены факторами, связанными с регуляцией экспрессии, клеточным циклом, клеточной смертью [17, 20]. Противоречит ли такое небольшое количество генов, экспрессия которых подавляется при тепловом стрессе, факту глобальной транскрипционной репрессии? С одной стороны, нет, поскольку упомянутые полногеномные исследования ничего не говорят о собственно процессе транскрипции, а только о количестве мРНК, что также отражает и такие переменные, как, например, стабильность специфических мРНК. Однако, с другой стороны, сам факт обогащения списков подавляемых генов онтологическими группами может свидетельствовать о том, что транскрипционная репрессия при тепловом стрессе носит не глобальный, а скорее точечный регулируемый характер.
В настоящее время наиболее изучен механизм репрессии при тепловом стрессе транскрипции, осуществляемой РНК-полимеразой II. Этот механизм связан с функционированием двух неко-дирующих РНК, представляющих собой транскрипты коротких диспергированных повторов (SINE, short interspersed elements [29]) мыши и человека. Давно было замечено, что зависимая от РНК-полимеразы III экспрессия коротких некодирующих РНК не только не падает при тепловом стрессе [24], но в некоторых случаях быстро и значительно возрастает. В частности, в ответ на тепловой стресс увеличивается транскрипция B1 и B2 SINE мыши и Alu-повторов человека [30—32]. Важно отметить, что активация при тепловом стрессе экспрессии B1 и B2 SINE носит специфический характер, так как продукция других зависимых от РНК-полимеразы III РНК не увеличивается [32]. В лаборатории Гуд-рич и Кугель было определено функциональное значение такого повышения экспрессии SINE, и кроме того, был открыт и исследован механизм SINE-зависимой транскрипционной репрессии (рисунок) [33, 34]. В частности, показано, что В2 и Alu РНК напрямую связываются с РНК-поли-меразой II, образуя кинетически стабильные комплексы, и, тем самым, подавляют транскрипцию некоторых белок-кодирующих генов [35—37]. В подвергнутых тепловому стрессу клетках млекопитающих эти РНК обнаруживаются в комплексе с РНК-полимеразой на промоторах репрессированных генов [37]. Подробное исследование механизма SINE-зависимой репрессии
РЕПРЕССИЯ ТРАНСКРИПЦИИ ПРИ ТЕПЛОВОМ СТРЕССЕ 1183
Схематическое изображение возможного механизма индуцируемой тепловым стрессом репрессии транскрипции (подробности см. в тексте)
транскрипции показало, что SINE РНК не препятствуют взаимодействию РНК-полимеразы с TBP и основными транскрипционными факторами (т.е. привлечению РНК-полимеразы к промоторам), но мешают связыванию РНК-поли-меразы с ДНК и предотвращают образование закрытого комплекса [38, 39]. Существенно, что репрессирующие малые РНК должны связаться с РНК-полимеразой до формирования закрытого комплекса на промоторе [38]. По этой причине данный механизм не может препятствовать осуществлению транскрипции теми молекулами РНК-полимеразы II, которые уже находятся в составе «замороженных» комплексов, например, молекулами РНК-полимеразы II, сидящими на промоторах генов белков теплового шока [40, 41]. Интересно, что B2 РНК, находящаяся в комплексе с РНК-полимеразой II, также подавляет TFIIH-зависимое фосфорилирование CTD-домена полимеразы [42]. Исследования, проведенные в лаборатории П. Кука с использованием РНК-полимеразы II, меченной зеленым флуоресцентным белком, показали, что в результате теплового стресса практически вся РНК-полимераза диссоциирует от ДНК [28]. Этот факт, с одной стороны, полностью подтверждает SINE-зависимый механизм транскрипционной репрессии при тепловом стрессе, а с другой, свидетельствует о наличии других механизмов, которые могли бы, например, объяснить диссоциацию элонгирующих полимераз с ДНК. Поскольку исследования SINE-зависимой репрессии транскрипции проводили на нескольких м
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.