Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 146
Текст из файла (страница 146)
Как метилирование ДНК помогает подавлять экспрессию генов, пока не полно стью погитно, но вьиснены лва основных механизма. Метилирование ДНК в области промотора гена или его регуляторных иоследовательгкктей можсч непосредственно модифицирующий гистоны фермент (»писатель») Ф- комплекс белков-регуляторов, который подавлввг экспрессию генов белок-»читатель» кода ДНК-метилвэа мвтипьная группа свяэывающийся с метипированной ДНК белок Рис.7.81. Многочисленные механизмы задейпвованы стабильной репрессией генов. В этом схематичном примере гистоновые белок-»читатель» и белок-»писатель» под управлением регуляторных белков формируют репрессивную форму хроматина.
Заново синтезированная ДНК-метилаза привлекается гисгоновым белком-»читателем» и метилирует соседние остатки цитозина на ДНК, к которым, в свою очередь, присоединяются связывающиеся с метилированнойДНК белки. В ходе репликации ДНК некоторые нз модифицированных (синяя точка) гистоно в будут наследоваться одной дочерней хромосомой, некоторые -другой, и в каждой дочерней клетке они могут индуци ровать реконструкцию того же самого профиля модификации хроматина (см. рис. 5 39). В тоже время механизм, приведенный на рис.
7 ВВ, будет приводить к наследованию обеими дочерними хромосомами одинакового профиля метилирования Два механизма наследования будут взаимно усиливать действия друг друга, если метилирование ДНК будет стимулировать активность гистоноваго белка-»писателя». Эта схема может обьяснить наследование дочерними клетками модификаций как гистонов, так н ДНК. Она также может пояснить склонность некоторых модификаций хроматина распространяться по хромосоме (см. рис, 4.45).
7.4. Молекулярно-генетические механизмы 723 помешать связыванию белков, необходимых для инициации транскрипции. Кроме того, в клетке есть набор белков, которые специфически связываются с мегилированной ДНК (см. рис, 7.81), таким образом блокируя доступ другим белкам. Одним из отражений важной роли метилирования ДНК для человека является широко распространенная причастность ошибок в этом механизме к развитию рака (см, главу 20). Позже мы вернемся в этой главе к теме сайленсинга генов посредством метилирования ДНК, когда будем обсуждать инактивацию Х-хромосомы и другие примеры крупномасштабного подавления генов.
Однако сначала опишем несколько других способов, при помощи которых метилирование ДНК влияет на наш геном. 7.4.13. Геномный имггринтинг основан на метилировании ДНК Клетки млекопитающих являются диплоидными и содержат один набор генов, унаследованный от отца, и один набор генов, унаследованный от матери. Экспрессия небольшой части генов зависит от того, были ли они унаследованы от матери или от отца: пока активна отцовская копия гена, материнская копия гена молчит, и наоборот. Это явление называется геномным импринтингом (йепоппс ипрНпбпй).
Геп 1д?2 инсулшг-подобного фактора роста 2 (гизи1т-?Же дгогат?г 1асгог-2) считается хорошо изученным примером импринтированного гена. Ген 1д?2 необходим для внутриутробного роста; и мыши, у которых он совершено не экспрессируется, рождаются в два раза меньше обычного размера. Однако транскрипция идет только с отцовской копии гена 1д?2, и только эта копия имеет значение для фенотипа.
В результате мышь с мутантным, полученным от отца геном 1д?2 рождается малорослой, тогда как мышь с мутантным геном 1д72, полученным от матери, соответствует норме. На ранних эмбриональных стадиях развития гены, подвергающиеся имприн тииту, метилируются в соответствии с тем, были ли они получены от сперматозоида или от яйцеклетки. Таким образом, метилирование ДНК используется в качестве метки, помогающей различать две копии гена, которые в другом случае были бы идентичными (рис.
7.82). Поскольку импринтированные гены некоторым образом защищены от волны деметилирования, которая происходит вскоре после оплодотворения (см. равд. 7А.12), такая метка дает возможность соматическим клеткам «запомнитьгь от какого из родителей получена каждая из двух копий гена, и в соответствии с этим регулировать их экспрессию. В большинстве случаев метилированный участок импринтинга подавляет близлежащую экспрессию, но в некоторых случаях он может активировать экспрессию гена.
Например, что касается гена 1д12, метилирование инсуляторного элемента (см. рис. 7.82) на хромосоме, полученной от отца, блокирует его функцию и позволяет отдаленному энхансеру активировать транскрипцию гена 1д?2. На материнской хромосоме инсуляторный элемент не метилирован, и поэтому ген 1д?2 не транскрибируется (рис. ?.83). Почему вообще должен существовать импринтинг, остается загадкой. У позвоночных он ограничен плацентарными млекопитающими и многие из импринтированных генов участвуют в развитии плода. Одна из идей заключается в том, что импринтинг отражает компромисс в эволюционной борьбе между самцами, стремяп1имися произвести как можно больше потомства, и самками, ограничиваю- шими его размер.
Вне зависимости от смысловой нагрузки импринтинг служит поразительным доказательством того, что, помимо нуклеотидной последовательности, могут наследоваться и другие черты ДНК. самка мыши самец мыши ОЕА РОДИТЕЛЯ ЭКСПРЕССИРУЮТ иыпринткроввнный,„й Сэ '"-' ОЛИНАК я,„в эьг ' вплвль мна А хроывюыа, .??у ') ) — унаследованная от отца —:( 7й акспрессироввнный' мргяГ В гй( аллаль гека А соыатичйошя ютмхв соматическая клетка СНЯТИЕ ИМПРИНТИНГА В ПОЛОВЫККЛЕТКАХ С ПОСЛЕДУ(ОЩИМ МЕЙОЗОМ устдндвливдется импринтинг у сдмки устАИАВлиВАется импРинтинГ у сгцицд ( ~с ,~ ~ь ' 7Й" ' ' потомства" РАЗЛИЧАЕТСЯ ПО 1 ЗКСПРЕССИРУЕМОМУ у АЛЛЕЛЮ ГЕНА А мРНК / ИВВВф мРНК соматическая клетка детеныша соматическая клетка детеныша Рис.
7 8?. Им принтинг у мыши. В еерхнеб части рисунка показана пара юмологичн ых хромосом в соматических клетках двух взрослых мышей: самца и самки. В этом примере обе мыши унаследовали верхнюю гомологичную хромосому от отца, а нижнюю — от матери, и отцовская копия гена, подвергающаяся импринтингу (показано оранжевым цветам), метилирована, что препятствует ее экспрессии. Копия того же гена, полученная от матери (желлгоя), экспрессируется, На оставшейся части рисунка показан результат скрещивания этих двух мышей. В ходе образования половых клеток, но до мейоза, им принтинг снимается. Затем, на значительно более поздних стадиях процесса созревания половых клеток, налагается уже специфичный для каждого пола импринтинг (средняя часть рисунка).
В яйцеклетках самки ни один из аллелей гена А не метилируется, в сперматозоидах самца метилируются оба аллеля. Внозу рисунка показаны два возможных варианта импринтинга, которые наследуются потомством, Мышь слева обладает тем же типом имп ринги ига, что и родители, тогда как мышь слроео — противоположным типом. Если два аллеля гена А отличаются, то эти разные варианты импринтинга могут привести к фенотипическим различиям в потомстве, несмотря на то что несут точно такие же последовательности ДН К двух аллелей гена А. Импринтинг служит важным исключением из классическо~о генетического поведения, и считается, что ему подвержены несколько сотен мышиных генов Однако большинство генов мыши не подвергаются импрннтингу, и, следовательно, к большей части генома мыши применимы законы наследования Менделя.
СТСР хромосома, унаследованная от матери ген Груз инсуляторный энхансер элемент хромосома, унаследованная ген (д72 инсупяторный энхансер о отца от отца элемент Рис. 7.83. Механизм импринтинга гена Гд72 мыши. На хромосомах, унаследованных от матери, белок, именуемый СТСГ, связывается с инсулятором (см. рис. 7.62), блокируя коммуникацию между энхансером (зеленый) и геном /д12 (оранжевый).
Следовательно, белок ГВ(2 не экспрессируется с хромосомы, унаследованной от матери. Вследствие импринтинга инсулятор на хромосоме, полученной от отца, метилируется, что приводит к его инактивации из-за блокирования связывания с ним белка СТСГ, и позволяет энхансеру активировать транскрипцию гена (д)2.
В других примерах импринтинга метилирование препятствует экспрессии генов, мешая связываться белкам, необхадимьм для транскрипции гена. 7.4.14. Об-богатьзе островки есть во многих генах мпеиопитаюц(их В ходе эволюции метилированные остатки цитозина в геноме имеют тенден цию к исчезновению, что объясняют способом работы ферментов репарации ДНК. Случайное дезаминирование неметилированного цитозина приводит к возникновению урацила (см. рис. 5А5), который в норме не входит в состав ДНК и потому легко распознается ферментом репарации урацил-ДНК-гликозилазой, вырезается и затем заменяется на цитозин (как описано в главе 5).
Но последствия случай ного дезаминирования 5-метил С не могут быть устранены подобным способом, так как при дезаминировании образуется тимин, который не отличим ог других, немутантных остатков тимина, входящих в состав ДНК. Существует специальная система репарации, чтобы удалять такие мутантные нуклеотиды тимина, но мно гие из дезаминированных нуклеотидов остаются незамеченными, так что в ходе эволюции эти метилированные остатки цитозина в геноме имеют тенденцию пре вращаться в тимин. В ходе эволюции подобным образом было утеряно гюлее трех из каждых четы рех СО, что привело к значительному умсныпению содержания этого динуклеотида в геноме позвоночных.
Оставшиеся последовательности СО очень неравномерно распределены по геному: существуют отдельные области длиной 1000 — 2000 ну. клеотидов, называемые СС .островками (СО ЫапсЬ), в которых содержание СС в 10 — 20 раз выше, чем в среднем по геному. Подобные островки, за некоторыми важными исключениями, по-видимому, остаются неметилированными во всех типах клеток. Они часто окружают промоторы так называемых генов домашнего хозяй ства» ('бонзе))еергпд депез), то есть тех генов, которые кодируют много белков, необходимых для жизнедеятельности клетки и, следовательно, экспрессируемых в большинстве клеток (рис.
7.йб). С6 островок ингроны .,/ ген дигидрофолагредуктазы в днк РНК б' гвн гипоксантинфосфорибозилтрансферазы г 3 г ' з ~ азз днк РНК 3' б' ген рибосомного белка з з е РНК б — ()ь з ДНК 10000 и. н, Рис 7 84. Сбостровки, окружающие промотор атрек генах кдомаш него хозяйства» млекопитающих. Л(елпгыми прямоугольниками отмечен размер каждого островка. У большинства генов млекопитающих (см. рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
