Роль H3K9 в упорядочении ядра

Учёные из Института биомедицинских исследований Фридриха Мишера выяснили, какие модификации гистонов приводят к секвестрации (изоляции) молчащих генов на периферии ядра. В исследовании, опубликованном в последнем выпуске журнала Cell, они показали, что как минимум два уровня метилирования лизина 9 гистона H3 запускают закрепление гетерохроматина на ядерной оболочке.

Ядро клетки — это центр активности, где ДНК и многочисленные виды РНК участвуют в экспрессии генов, репликации и репарации генома, а также в регуляции этих процессов. Организация ДНК в хроматин, которая включает сворачивание длинных нитей ДНК вокруг нуклеосом (бусоподобных единиц, содержащих 8 гистоновых белков), является определяющей чертой эукариотического генома. После организации в нуклеосомы хроматин может уплотняться в конденсированные хромосомные структуры или раскручиваться, чтобы позволить ферментам действовать на субстрат ДНК. Контролируемый хроматином доступ к нити ДНК регулирует практически все функции генома в эукариотической клетке.

Интересно, что по мере дифференцировки эмбриональных клеток в многоклеточном организме области генома упаковываются в компактные молчащие домены, называемые гетерохроматином. Общее количество гетерохроматина в клетке увеличивается по мере дифференцировки плюрипотентных клеток-предшественников в специализированные типы клеток. Разные гены репрессированы в разных тканях. Молчащие домены также пространственно отделяются от транскрипционно активных, смещаясь к периферии ядра. Это пространственное разделение активных и неактивных доменов генома консервативно у всех эукариотических клеток.

Лаборатория Сьюзан Гассер в Институте Фридриха Мишера изучает физиологические последствия этой пространственной организации. Теперь они выяснили у червя C. elegans, как достигается секвестрация генов на периферии ядра.

Бенджамин Тоубин в ходе своей докторской диссертации в лаборатории Сьюзан Гассер обнаружил, что фермент SAM-синтетаза, который генерирует универсальный донор для метилирования лизина — S-аденозилметионин (SAM), — критически важен для правильного пространственного разделения хроматина в ядре. Когда он нарушил синтез SAM, то наблюдал резкое падение метилирования гистонов, активацию генов, которые должны были молчать в гетерохроматиновом контексте, и потерю их секвестрации на краю ядра.

Предположив, что метилирование специфических лизинов в гистонах может быть сигналом для секвестрации гетерохроматина, Тоубин затем определил, какие из множества ферментов, переносящих метильную группу с SAM на гистоновый субстрат, необходимы для закрепления гетерохроматина. Он идентифицировал две гистоновые метилтрансферазы (HMT), которые действуют последовательно, генерируя триметилированный лизин 9 в гистоне H3:

• MET-2 — гомолог фермента млекопитающих SET DB1, который присоединяет первую и вторую метильные группы к этому специфическому остатку.
• SET-25 — новая HMT, способная присоединить третью метильную группу, генерируя H3K9me3.

Каждая прогрессирующая стадия модификации — моно-, ди- и триметилированные формы H3K9 — обеспечивала сигнал, запускающий перенос модифицированных нуклеосом к ядерной оболочке. Интригующе, что моно- и диметилированные нуклеосомы не были транскрипционно молчащими, но были необходимы для нанесения триметильной метки, которая затем выключала экспрессию и закрепляла связь с периферией.

Тоубин и коллеги также смогли показать, что SET-25 колокализуется (совместно локализуется) с периферическим гетерохроматином, несущим триметилированный H3K9. Таким образом, SET-25 секвестрируется на периферии ядра продуктом собственной реакции метилирования.

«Мы полагаем, что SET-25 накапливается на ядерной периферии, чтобы способствовать гетерохроматиновой репрессии генов, которые доставляются туда благодаря нанесению моно- и диметильных меток. Это также гарантирует, что гетерохроматин будет мишенью для фермента SET-25 во время репликации хроматина — событие, которое благоприятствует распространению как репрессированного состояния, так и его пространственного позиционирования», — говорит Тоубин.

Хотя результаты были получены на модельном организме C. elegans, для идентифицированных белков существуют гомологи у млекопитающих, и сходные процессы описаны в клетках млекопитающих, хотя и менее детально.

«Аналогии с сайленсингом у млекопитающих позволяют предположить, что выявленные здесь принципы актуальны от червей до человека», — сказала Гассер.