Регуляция активности генов

Как могут существовать участки, гиперчувствительные к ДНКазе I, если ДНК единообразно упакована в нуклеосомы? На этот вопрос возможны два ответа. Первый в хроматине существуют области, свободные от нуклеосом, и второй – существуют факторы, которые присоединяются к нуклеосомам и заставляют их ослаблять связь с ДНК.

Отсутствие нуклеосом обеспечивает доступность всей ДНК в этой области для РНК-полимеразы и возможность осуществления эффективной транс-

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. 2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1994. – 235 с.

___________ МЕХАНИЗМЫ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ТРАНСКРИПЦИИ ГЕНОВ ___________________________ 165

Рис. 12.26. Корреляция транскрипции с гиперчувствительностью к ДНКазе I и гипометилированием в сайтах энхансеров. А. Определение гиперчувствительности к ДНКазе I при гидролизе хроматина печени через 0; 3; 4, 5 и 8 ч после обработки эстрогеном. Левая дорожка для каждого времени соответствует негидролизованному хроматину. Появление новых коротких фрагментов через 8 ч после обработки эстрогеном указывает на расщепление ДНКазой соответствующих участков. Радиоактивный зонд свидетельствует о присутствии ДНК из 5’-конца гена. С, Β 1 и В2 соответствуют сайтам гена, показанным на схеме Г. Б. Определение метилирования в ДНК печени в различные сроки после обработки гормоном. ДНК гидролизовали рестриктазой Hpa II. В период до 8 ч зонд узнает ДНК в большом Hpa II-фрагменте.· Через 8 ч появляется второй фрагмент. Это означает, что исходно метилированная последовательность ЦЦГГ в соответствующем участке стала неметилированной. В. Дот-блот-гибридизация цитоплазматической мРНК с кДНК-зондом для вителлогенина. Впервые транскрипция наблюдается приблизительно на 8-м часу. Г. Результаты опытов. Перед добавлением гормона в хроматине печени имеются три сайта, гиперчувствительных к ДНКазе I; в хроматине из других клеток не имеется ни одного гиперчувствительного сайта. Добавление гормона вызывает появление в клетках печени трех новых сайтов, гиперчувствительных к ДНКазе I, на 5'-конце гена и гипометилирование этого участка (обозначено черным кружком). В клетках из других органов не наблюдается ни гипометилирования, ни гиперчувствительности к ДНКазе I. Удаление гормона приводит к исчезновению в хроматине печени одного гиперчувствительного сайта, специфичного для гормона, и к потере транскрипционной активности. (Из Burch,. Weintraub, 1983; фотография с любезного разрешения авторов.)

крипции. У клопа-наземника Oncopeltus fasciatus часть генома, содержащая гены рибосомной РНК, практически полностью свободна от нуклеосом и ДНК в этой области транскрибируется очень активно (Foe et al., 1976). Результаты электронно-микроскопических исследований подтвердили это наблюдение для Oncopeltus и некоторых других видов (рис. 12.27) (Labhart, Koller, 1982).

Транскрипция глобиновых генов мыши тоже может происходить с нарушениями в распределении

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. 2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1994. – 235 с.

166 _______________ ГЛАВА 12 ______________________________________________________________________________

Рис. 12.27. Активные и неактивные области в геноме Xenopus. Хроматин, выделенный из клеток этой лягушки, обрабатывали РНКазой для удаления новообразованных цепей РНК и фиксировали для электронноймикроскопии. Видны две области хроматина; в области Ρ {справа) присутствуют крупные белковые молекулы (предположительно РНК-полимеразы); в области N (слева) видны нуклеосомы без РНК-полимераз. (Из Labhart, Koller, 1982; фотография с любезного разрешения Т. Koller.)

нуклеосом. В клетках, которые не относятся к эритроидному ряду, нуклеосомы на всем протяжении глобиновых генов располагаются регулярно. Однако в предшественниках эритроцитов регулярное расположение нуклеосом нарушается, так что 5'-конец гена (от -200 до +500) оказывается свободным от этих структур. Когда клетки индуцируются к синтезу гемоглобина, может происходить дальнейшее разрушение нуклеосом (Cohen, Sheffery, 1985; Benezra et al., 1986).

Данные, полученные в других исследованиях, также свидетельствуют о том, что большинство участков, гиперчувствительных к ДНКазе I (а возможно, и все такие участки), лишены нуклеосом. Гены легких цепей иммуноглобулинов становятся гипометилированными и чувствительными к ДНКазе I в ходе развития пре-В-клеток в В-клетки (Rose, Garrard, 1984). Кроме того, в это время меняется распределение нуклеосом, так что большие областииммуноглобулинового гена становятся относительно свободными от них. Остающиеся нуклеосомы оказываются без гистона H1 и содержат вместо него белки HMG 14 и HMG 17 (см. ниже).

Не исключено, что способ взаимодействия метильных групп с гистонами позволяет образовывать нуклеосомы только на метилированной ДНК, но не на неметилированной (Keshet et al., 1986). Это ограничение будет приводить к появлению участков гиперчувствительности к ДНКазе. После образования таких участков другим транс -регуляторным фактором станет проще находить эти свободные от нуклеосом области. Такая последовательность событий могла бы объяснить, почему ген вителлогенина в печени курицы содержит ряд сайтов, гиперчувствительных к ДНКазе, уже перед добавлением гормона. Присоединение транс -регуляторного рецептора гормона будет создавать впоследствии новые гиперчувствительные сайты, связанные с активной транскрипцией.

Формирование активного участка хроматина не требует полного удаления нуклеосом. Многие активно транскрибируемые гены лежат внутри районов с обычным распределением нуклеосом. Тем не менее нуклеосомы могут быть модифицированы в определенных специфических локусах. Одна из таких наиболее важных модификаций включает присоединение двух пептидов, называемых белками группы высокой подвижности: HMG 14 и HMG 17.

Когдахроматин гилролизуется ДНКазой I, происходит преимущественное высвобождение двух негистоновых белков хроматина: HMG 14 и HMG 17. Эти два низкомолекулярных белка могут быть экстрагированы из хроматина с помощью 0.35 M NaCl Они, по-видимому, обеспечивают чувствительность, но не гиперчувствительность генов к ДНКазе I, когда связываются поблизости от нуклеосом. Если

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. 2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1994. – 235 с.

____________ МЕХАНИЗМЫ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ТРАНСКРИПЦИИ ГЕНОВ ___________________________ 167

Рис. 12.28. Реконструкция чувствительности к ДНКазе I области глобинового гена. Из хроматина эритроцитов курицы (ЭК) удаляли HMG-белки. Одну фракцию хроматина инкубировали без НМG-белков, а другуюфракцию реконструировали, добавляя эти белки. К обеим фракциям и неэкстрагированному хроматину ЭК добавляли ДНКазу I в количестве, достаточном для гидролиза 10% ДНК. Эффективность связывания радиоактивной глобиновой кДНК с комплементарными последовательностями в препарате хроматина, лишенного HMG-белков, была намного выше, чем в других препаратах. (Данные из Weisbrod, Weintraub, 1979.)

белки H MG 14 и H MG 17 удаляют из хроматина, то одновременно исчезает дифференциальная чувствительность специфических генов к ДНКазе I. Таким образом, когда белки HMG экстрагированы из хроматина эритроцитов, глобиновые гены утрачивают чувствительность к перевариванию ДНКазой I (рис. 12.28). Однако, когда эти белки добавляют к такому обедненному хроматину, дифференциальная чувствительность глобиновых генов восстанавливается (Weisbrod, Weintraub, 1979; Weisbrod et al., 1980; Gazit et al., 1980). Способность этих белков восстанавливать чувствительность по-прежнему определяется хроматином. HMG 14 и HMG 17, выделенные из мозга, восстанавливают чувствительность к ДНКазе I глобиновых генов из эритроцитов, но не из клеток мозга. Таким образом, два негистоновых белка хроматина оказываются необходимыми (но не достаточными) для осуществления транскрипции специфических генов в разных тканях.