Центромеры хромосом наследуются эпигенетически

Центромеры — это специализированные участки генома, видимые в микроскоп как первичные перетяжки X-образных хромосом. К ним прикрепляется цитоскелет, распределяющий хромосомы между дочерними клетками во время деления. У большинства организмов положение центромеры определяется не последовательностью ДНК. Учёные из Института иммунобиологии и эпигенетики Макса Планка в Фрайбурге показали, что положение, функция и наследование центромеры определяются гистоном CenH3 — белком, упаковывающим ДНК. Это открытие может помочь в разработке искусственных человеческих хромосом для генной терапии.

Центромеры служат платформой для сборки белкового комплекса — кинетохора. Во время деления клетки кинетохор обеспечивает прикрепление цитоскелета и движение хромосом к противоположным полюсам клетки. У большинства организмов положение центромеры определяется не последовательностью ДНК, а эпигенетически. Исключение — одноклеточный гриб пекарских дрожжей, где специфическая последовательность ДНК «кодирует» положение центромеры.

Ключевым кандидатом на роль эпигенетической метки центромеры является вариант гистона H3 — CenH3. Гистоны связывают ДНК, в основном независимо от её последовательности, и помогают упаковывать длинную молекулу ДНК. CenH3 обнаруживается исключительно в областях центромер у разных организмов. Группа Патрика Хойна и коллеги из Центра Гельмгольца в Мюнхене обнаружили, что одного CenH3 достаточно для запуска формирования центромеры.

Исследователи присоединили к гистону CenH3 искусственный ДНК-связывающий домен, чтобы белок мог связываться с областью ДНК, где центромера в норме не образуется. В результате там сформировался функционирующий кинетохор, взаимодействующий с цитоскелетом во время деления клетки. Этот подход позволил распределять искусственные мини-хромосомы между дочерними клетками. Белок способен самостоятельно рекрутировать дополнительные молекулы CenH3. «Это гарантирует, что после каждого деления клетки в центромере будет достаточно CenH3. Иначе количество доступного белка уменьшалось бы вдвое после каждого деления. Таким образом, положение центромеры может передаваться из поколения в поколение», — поясняет Хойн.

Переход от центромеры, определяемой ДНК у дрожжей (где положение «высечено в камне»), к позиции, определяемой белком, которая легче меняется, может играть роль в эволюции. Несмотря на размер до нескольких миллионов пар оснований, центромеры могут «перепрыгивать» на другие позиции без физического перемещения ДНК. В редких случаях может возникнуть новая центромера, как это уже произошло у близкородственного вида обезьян. Таким образом, неоцентромеры могут способствовать возникновению новых видов.

Понимание центральной роли CenH3 для идентичности центромеры также может оказаться важным для медицины. Учёные хотели бы разработать искусственные человеческие хромосомы как альтернативу вирусной генной терапии. «Как и их естественные аналоги, они требуют центромеры для деления клетки. До сих пор не удавалось эффективно контролировать формирование центромеры», — говорит Хойн.