W przeciwieństwie do stabilnie represyjnej, konstytutywnej heterochromatyny i stabilnie aktywna, euchromatyna, fakultatywna heterochromatyna ma zdolność do naprzemiennego między represyjnymi i aktywowanymi stanami transkrypcji. Jako taka, jest ona pouczającym źródłem zrozumienia molekularnych podstaw zmian w strukturze chromatyny, które korelują z transkrypcją. które korelują ze stanem transkrypcji. Sirtuina 1 (SIRT1) i suppressor of variegation 3-9 homologue 1 (SUV39H1) są jednymi z enzymów odpowiedzialnych za modulacje chromatyny związane z fakultatywnym tworzeniem heterochromatyny. SUV39H1 jest głównym enzymem odpowiedzialnym za akumulację histonu H3 zawierającego grupę trimetylowa w pozycji lizyny 9 (H3K9me3) w regionach heterochromatyny. SIRT1 jest deacetylazą zależną od NAD+. deacetylazą, która celuje w histon H4 w lizynie 16 (ref. 3 i 4), a poprzez nieznany mechanizm nieznany mechanizm ułatwia zwiększenie poziomu H3K9me3 (ref. 3). Tutaj pokazujemy że ssacza metylotransferaza histonowa SUV39H1 jest sama w sobie ukierunkowana przez deacetylazę histonów SIRT1 i że aktywność SUV39H1 jest regulowana przez acetylację przy reszcie lizyny 266 w jej katalitycznej domenie SET. SIRT1 oddziałuje bezpośrednio z, rekrutuje i deacetyluje SUV39H1, a te działania niezależnie przyczyniają się do podwyższonych poziomów aktywności SUV39H1, co skutkuje zwiększonymi poziomami modyfikacji H3K9me3. Utrata SIRT1 znacznie wpływa na SUV39H1-zależne H3K9me3 i upośledza lokalizację białka heterochromatyny 1. Odkrycia te pokazują funkcjonalny związek między heterochromatyną a białkiem heterochromatyny 1. wykazują funkcjonalne powiązanie między związaną z heterochromatyną histonową metylotransferazą SUV39H1 i deacetylazą histonową SIRT1. --- Modyfikacje histonów są zaangażowane w regulację kondensacji chromatyny, ale nie jest jasne, w jaki sposób różnią się one między konstytutywną heterochromatyną a niewyrażoną euchromatyną. Testy immunoprecypitacji chromatyny (ChIP) przeprowadzono na różnych populacjach komórek populacjach ludzkich komórek przy użyciu przeciwciał specyficznych dla acetylowanych lub metylowanych form histonów H3 lub H4. Analizę immunoprecypitatów przeprowadzono za pomocą ilościową PCR w czasie rzeczywistym lub półilościową PCR (SQ-PCR). Spośród ośmiu testowanych przeciwciał, to dla histonu H4 acetylowanego lizyną 4, 8, 12 lub 16 było najlepsze do odróżnienia konstytutywnej heterochromatyny od niewyrażonej euchromatyny, ale różnice w zakresie immunoprecypitacji tych dwóch typów chromatyny chromatyny były tylko niewielkie, choć wysoce powtarzalne. Z tym przeciwciałem, było średnio 2,5-krotnie mniej immunoprecypitacji trzech konstytutywnych regionów heterochromatyny regionów heterochromatyny niż czterech niewyrażonych regionów genów euchromatycznych i około 15-krotnie mniej immunoprecypitacji tych standardów heterochromatyny niż dwóch konstytutywnie wyrażonych standardów genowych (P <0,001). Przeanalizowaliśmy również acetylację i metylację histonów za pomocą immunocytochemii z przeciwciałami przeciwko H4 acetylowanej lizyną 8, H3 trimetylowanej lizyną 9 i H3 metylowanej lizyną 4. lizyny 4. Ponadto przeprowadzono analizę immunocytochemiczną z przeciwciałem przeciwko białko heterochromatyny 1alfa (HP1alfa), którego preferencyjne wiązanie do heterochromatyny zostało powiązane z trimetylacją H3 w lizynie 9. Nasze połączone wyniki ChIP i immunocytochemiczne sugerują, że czynniki inne niż hipoacetylacja N-końcowych ogonów H4 i hipermetylacja H3 przy lizynie 9 lizyny 9 mogą odgrywać ważną rolę w określaniu, czy sekwencja chromatyny w komórkach ssaków jest konstytutywnie heterochromatyczna. --- Metylacja histonów została po raz pierwszy opisana ponad 35 lat temu, ale jej rola pozostała enigmatyczna. Proponowane funkcje wahają się od regulacji transkrypcji do pakowanie chromatyny wyższego rzędu w ramach przygotowań do kondensacji mitotycznej. Metylacja histonów może zachodzić na resztach Arg lub Lys, z wyjątkową selektywnością miejsca selektywność metylacji Lys w określonych pozycjach na N-końcach histonów histonów H3 i H4. W ten sposób metylacja Lys dołącza do acetylacji i fosforylacji jako trzeci składnik "kodu histonowego", który modyfikuje podstawową strukturę chromatyny strukturę informacji genetycznej. Warto zauważyć, że w przeciwieństwie do acetylacji i fosforylacji fosforylacji, metylacja Lys wydaje się być względnie stabilną modyfikacją histonów. modyfikacja histonów, zapewniając w ten sposób idealny znak epigenetyczny dla bardziej długotrwałego utrzymania stanów chromatyny. Niedawne odkrycie pierwszej histonowej metylotransferazy Lys pozwoliło na identyfikację mechanizmu molekularnego, w którym specyficzna metylacja histonów w którym specyficzna metylacja histonu H3 w Lys9 generuje miejsce wiązania dla białek związanych z heterochromatyną. Odkrycia te mają szerokie implikacje dla ogólnej funkcjonalnej organizacji struktury chromosomów w konstytutywnej heterochromatyny (np. centromerach) i zależnego od chromatyny dziedziczenia wzorców ekspresji genów. wzorców ekspresji genów. W niniejszym przeglądzie omówiono, w jaki sposób zrozumienie tego metylacji powinno rozwiązać niektóre z długotrwałych tajemnic heterochromatyny. heterochromatyny. --- U ssaków metylacja DNA jest ważnym znacznikiem epigenetycznym, który jest związany z wyciszaniem genów. z wyciszaniem genów, szczególnie w konstytutywnej heterochromatynie. Jednakże wpływ metylacji DNA na inne właściwości epigenetyczne chromatyny jest kontrowersyjny. kontrowersyjny. W tym badaniu wykazaliśmy, że hamowanie metylacji DNA w komórkach mysich fibroblastów mysich komórkach fibroblastów wpływa na modyfikację histonów i subjądrową lokalizację histonu H3.3 w sposób zależny od cyklu komórkowego. Wykorzystując metylotransferazę DNA inhibitora metylotransferazy DNA (Dnmt) 5-aza-2'-deoksycytydyny (5-aza-dC), stwierdziliśmy że obniżone poziomy metylacji DNA były związane z aktywacją transkrypcji z centromerycznych i pericentromerycznych powtórzeń satelitarnych. The chromatyna pericentromeryczna była wzbogacona w euchromatyczne modyfikacje histonów, takie jak acetylacja modyfikacje, takie jak acetylacja histonu H4 oraz di- i tri-metylacja lizyny 4 na histonie H3. Analiza czasowo-przestrzenna wykazała, że akumulacja tych euchromatycznych modyfikacji histonów wystąpiła podczas drugiej fazy S po traktowaniu 5-aza-dC, odpowiadając dokładnie przesunięciu w czas replikacji pericentromerycznych powtórzeń satelitarnych od środkowej / późnej fazy S do wczesnej fazy S. Ponadto stwierdziliśmy, że histon H3.3 został zdeponowany na pericentromeryczna heterochromatyna przed akumulacją euchromatycznych modyfikacji histonów euchromatycznych modyfikacji histonów. Wyniki te sugerują, że metylacja DNA CpG jest niezbędna dla prawidłowej organizacji heterochromatyny pericentromerycznej w zróżnicowanych komórkach myszy. zróżnicowanych komórkach myszy. --- Trimetylacja lizyny 9 histonu H3 (H3K9me3) jest potranslacyjną modyfikacją histonu (PTM). (PTM), która stała się cechą charakterystyczną heterochromatyny pericentromerycznej. Ta konstytutywna domena chromatyny składa się z powtarzalnych elementów DNA, których transkrypcja jest różnie regulowana. Komórki ssaków zawierają trzy białka HP1 HP1α, HP1β i HP1γ. Wykazano, że wiążą się one z H3K9me3 i uważa się, że pośredniczą w działaniu tego białka. Uważa się, że pośredniczą one w efektach PTM histonów. Jednak mechanizmy regulacji chromatyny HP1 i dokładna rola funkcjonalna w heterochromatynie pericentromerycznej są wciąż niejasne. heterochromatyny są nadal niejasne. Tutaj zidentyfikowaliśmy zależne od aktywności białko neuroprotekcyjne (ADNP) jako czynnik związany z H3K9me3. Pokazujemy, że ADNP nie wiąże bezpośrednio H3K9me3, ale w tej interakcji pośredniczą wszystkie trzy izoformy HP1 in vitro. Jednak w komórkach ADNP lokalizuje się w obszarach pericentromerycznej heterochromatyny jest zależna tylko od HP1α i HP1β. Oprócz sekwencji PGVLL odkryliśmy motyw ARKS w homeodomenie ADNP zaangażowany w zależną od HP1 asocjację H3K9me3 i lokalizację do heterochromatyny pericentromerycznej. Podczas gdy knockdown ADNP nie miał wpływu na dystrybucję HP1 oraz heterochromatyczne modyfikacje histonów i DNA, stwierdziliśmy, że ADNP wyciszający główne powtórzenia satelitarne. Nasze wyniki identyfikują nowy czynnik w translacji H3K9me3 w pericentromerycznej heterochromatynie, która reguluje transkrypcję. --- Potranslacyjne modyfikacje histonów i warianty histonów tworzą unikalny krajobraz epigenetyczny na chromosomach ssaków. krajobraz epigenetyczny na chromosomach ssaków, gdzie główne epigenetyczne markery heterochromatyny heterochromatyny, trimetylowany histon H3(K9) i histon H2A.Z, są odwrotnie zlokalizowane względem siebie. odwrotnie zlokalizowane względem siebie. Trimetylowane znaczniki H3(K9) pericentromeryczną konstytutywną heterochromatynę i męski chromosom Y, podczas gdy H2A.Z jest dramatycznie zmniejszona w tych lokalizacjach chromosomalnych. Inaktywacja lizosomalnej i jądrowej proteazy, katepsyny L, powoduje globalną redystrybucję markerów epigenetycznych. markerów epigenetycznych. W komórkach pozbawionych katepsyny L, poziomy trimetylowanych H3(K9) drastycznie spada, wraz z jego przeniesieniem z dala od heterochromatyny, oraz heterochromatyny, a H2A.Z zostaje wzbogacony w pericentromeryczną heterochromatynę i chromosomie Y. Zmiana ta jest również związana z globalną relokacją białka heterochromatyny białka heterochromatyny HP1 i metylotransferazy histonu H3 Suv39h1 z dala od konstytutywnej heterochromatyny; jednak nie wpływa to na metylację DNA lub segregację chromosomów, fenotypy powszechnie związane z upośledzoną metylacją histonów H3(K9). Dlatego kluczowe determinanty konstytutywnej heterochromatyny mogą dynamicznie redystrybuować w zależności od kontekstu fizjologicznego, ale nadal zachowują podstawowe funkcje chromosomów. Tak więc, nasze dane pokazują, że katepsyna L stabilizuje epigenetyczne markery heterochromatyny na heterochromatynie pericentromerycznej heterochromatynie i chromosomie Y poprzez nowy mechanizm, który nie metylacji DNA ani nie wpływa na strukturę heterochromatyny i działa zarówno na chromosomach somatycznych i płciowych. --- Genom ssaków zawiera liczne regiony znane jako fakultatywna heterochromatyna heterochromatyny, które przyczyniają się do wyciszania transkrypcji podczas rozwoju i różnicowania komórek. Przeanalizowaliśmy wzór modyfikacji histonów modyfikacji związanych z fakultatywną heterochromatyną w obrębie myszy klastra Snurf-Snrpn, który jest homologiczny do ludzkiego regionu genomu zespołu Pradera-Williego. region genomowy zespołu Pradera-Williego. Pokazujemy tutaj, że odziedziczony po matce region Snurf-Snrpn 3-Mb, który jest wyciszany przez silny mechanizm represji transkrypcji, jest równomiernie wzbogacony w znaki metylacji histonów zwykle występujące w konstytutywnej heterochromatynie, takie jak heterochromatynie, takich jak H4K20me3, H3K9me3 i H3K79me3. Co uderzające, odkryliśmy że trimetylowany histon H3 przy lizynie 36 (H3K36me3), który został wcześniej zidentyfikowany jako cecha charakterystyczna aktywnie transkrybowanych regionów, jest zdeponowany na wyciszony, macierzyński region wdrukowany o wielkości 3 Mb. Pokazujemy, że odkładanie H3K36me3 w tej dużej domenie heterochromatyny nie koreluje ze zdarzeniami zdarzeniami transkrypcyjnymi, co sugeruje istnienie alternatywnej ścieżki dla odkładania tej modyfikacji histonowej. Ponadto wykazaliśmy, że H3K36me3 jest znacznie wzbogacony na poziomie heterochromatyny pericentromerycznej w mysich embrionalnych komórkach macierzystych i fibroblastach. Wynik ten wskazuje, że H3K36me3 jest związany zarówno z fakultatywną, jak i konstytutywną heterochromatyną. Nasze dane sugerują, że funkcja H3K36me3 nie ogranicza się do regionów aktywnie transkrybowanych i może przyczyniać się do składu heterochromatyny, w połączeniu z innymi modyfikacjami histonów. --- Dystrofia mięśniowa twarzowo-łopatkowo-ramieniowa (FSHD) jest unikalnym dominującym zaburzeniem obejmującym skrócenie szeregu tandemowych powtórzeń 3,3 kb. Ta liczba kopii powtórzenie polimorficzne, D4Z4, jest obecne w macierzach zarówno w 4q35, jak i 10q26, ale tylko 4q35 z jedną do 10 kopii tego powtórzenia są powiązane z FSHD. Najbardziej popularnym modelem tego, w jaki sposób skrócenie tablicy 4q35 powoduje FSHD, jest to, że powoduje to w utracie postulowanej heterochromatynizacji D4Z4, która rozprzestrzenia się proksymalnie, prowadząc do nadekspresji genów FSHD w cis. Byłoby to podobne do utraty wariacji efektu pozycji (PEV) u Drosophila. Aby przetestować domniemaną heterochromatynizacji, przeprowadziliśmy ilościową immunoprecypitację chromatyny z przeciwciałem przeciwciałem dla acetylowanego histonu H4, które rozróżnia między konstytutywną heterochromatyną i niewyrażoną euchromatyną. W przeciwieństwie do powyższego modelu, poziomy acetylacji H4 w niepowtarzającym się regionie sąsiadującym z tablicami 4q35 i 10q26 D4Z4 w normalnych i FSHD komórkach limfoidalnych były podobne do tych w niewyrażonej euchromatyny, a nie konstytutywnej heterochromatyny. Ponadto, te komórki kontrolne i FSHD wykazywały podobną hiperacetylację H4 (jak w przypadku ekspresjonowanych genów) w regionach 5' genów kandydujących 4q35 FRG1 i ANT1. W przeciwieństwie do modelu model utraty PEV i niedawny raport, nie było wzrostu zależnego od pozycji w poziomach transkryptów tych genów w próbkach mięśni szkieletowych FSHD w porównaniu z grupą kontrolną. Nasze wyniki przemawiają za nowym modelem genetycznej etiologii molekularnej molekularnej etiologii genetycznej FSHD, takiej jak różnicowe zapętlenie cis na duże odległości, które zależy od obecności tablicy 4q35 D4Z4 z mniejszą niż progowa liczbą kopii powtórzenia 3,3 kb. 3,3 kb. --- Uważa się, że potranslacyjna modyfikacja ogonów histonów moduluje strukturę chromatyny wyższego rzędu. Kombinacje modyfikacji, w tym acetylacja, fosforylacja i metylacja zostały zaproponowane w celu zapewnienia znaczników rozpoznawanych przez specyficzne białka. Przykładem tego jest, zarówno w komórkach ssaków i drożdżach rozszczepialnych, przez transkrypcyjnie cichą konstytutywną pericentryczną heterochromatynę. heterochromatyna. Taka heterochromatyna zawiera histony, które są generalnie hipoacetylowane i metylowane przez metylotransferazy Suv39h przy lizynie 9 histonu H3 (H3-K9). Każdy z tych stanów modyfikacji został zaangażowany w utrzymanie wiązania białka HP1 w pericentrycznej heterochromatynie, w wyciszaniu transkrypcji i funkcji centromeru. W szczególności uważa się, że metylacja H3-K9 Metylacja jest uważana za system znakowania dla ustanowienia i utrzymania stabilnie represjonowanych regionów i subdomen heterochromatyny. Aby odpowiedzieć na pytanie, w jaki sposób te dwa rodzaje modyfikacji, a także inne niezidentyfikowane parametry, funkcjonują w celu utrzymania pericentrycznej heterochromatyny, my użyliśmy kombinacji inhibitorów deacetylazy histonowej, leczenia RNAse i przeciwciała przeciwciał przeciwko metylowanym rozgałęzionym peptydom H3-K9. Nasze wyniki pokazują że zarówno acetylacja, jak i metylacja H3-K9 może zachodzić na niezależnych zestawach cząsteczek H3 w heterochromatynie pericentrycznej. Ponadto identyfikujemy strukturę zależną od modyfikacji RNA i strukturę zależną od modyfikacji histonów, która łączy metylowane ogony H3-K9 w specyficznej konfiguracji wymaganej do akumulacji białek HP1 w tych domenach. --- U eukariontów metylacja histonów jest mechanizmem epigenetycznym związanym z różnymi funkcjami różnymi funkcjami związanymi z regulacją genów lub stabilnością genomu. Ostatnio analizowane metylotransferazy H3K9 (HMTazy), takie jak SUV39H1, Clr4p, DIM-5, Su(var)3-9 lub SUVH2 są odpowiedzialne za ustanowienie metylacji lizyny 9 histonu H3 (H3K9me), która jest ściśle związana z heterochromatynizacją. W niniejszym przeglądzie zostaną ocenione dostępne dane dotyczące (1) filogenetycznej filogenetycznej dystrybucji H3K9me jako specyficznej dla heterochromatyny modyfikacji histonów i jej stabilności ewolucyjnej w odniesieniu do innych znaczników epigenetycznych, (2) znanych rodzin metylotransferaz H3K9, (3) ich odpowiedzialność za tworzenie konstytutywnej heterochromatyny i (4) ewolucję Su(var)3-9-podobnych i SUVH-podobnych metylotransferaz H3K9. Kompilacja i analiza parsymonii ujawniają że metylacja histonów H3K9 jest, obok deacetylacji histonów, najbardziej stabilną ewolucyjnie heterochromatyną. ewolucyjnie najbardziej stabilnym znakiem heterochromatycznym, który jest ustalany przez co najmniej dwie podrodziny wyspecjalizowanych heterochromatycznych HMTaz u prawie wszystkich badanych eukariontów. --- Fosforylacja histonu H3 przy Ser10 (H3S10P) została powiązana z różnymi procesami komórkowymi, takimi jak kondensacja chromosomów i genów. procesów komórkowych, takich jak kondensacja chromosomów i aktywacja genów aktywacja/wyciszanie genów. Co ciekawe, w komórkach somatycznych ssaków, H3S10P inicjuje się w pericentromerycznej heterochromatynie podczas późnej fazy G2, a fosforylacja rozprzestrzenia się w całym chromosomie. fosforylacja rozprzestrzenia się w ramionach chromosomów w profazie, będąc utrzymywana aż do początku anafazy, kiedy to ulega defosforylacji. Przeprowadzono wiele badań dotyczących H3S10P u różnych organizmów; jednak niewiele jest informacji na temat tej modyfikacji histonów w zarodkach ssaków. zarodkach ssaków. Postawiliśmy hipotezę, że ta epigenetyczna modyfikacja może również być markerem pericentromerycznej heterochromatyny w zarodkach przedimplantacyjnych. My dlatego śledziliśmy wzór dystrybucji H3S10P w fazach G1/S i G2 przez cały okres rozwoju preimplantacyjnego w zarodkach myszy in vivo. Zwróciliśmy szczególną uwagę na jego lokalizację w stosunku do innego markera heterochromatyny pericentromeric heterochromatyny, HP1β i przeprowadziliśmy immunoFISH przy użyciu specyficznego pericentromerycznych sond heterochromatynowych. Nasze wyniki wskazują, że H3S10P wykazuje niezwykły wzór dystrybucji w preimplantacyjnych zarodkach myszy aż do stadium 4-komórkowego i jest lepszym markerem pericentromerycznej heterochromatyny niż HP1β. Po stadium 8-komórkowym kinetyka H3S10P jest bardziej podobna do somatycznej. somatycznej, inicjując w chromocentrach podczas G2 i zanikając w telofazie. Na podstawie tych ustaleń uważamy, że H3S10P jest dobrym markerem heterochromatyny pericentromerycznej, szczególnie w późnych stadiach 1- i 2-komórkowych, ponieważ znakuje oba genomy rodzicielskie i może być wykorzystany do dalszego badania regulacji epigenetycznej i mechanizmów heterochromatyny we wczesnych zarodkach przedimplantacyjnych zarodkach.
Które modyfikacje histonów są związane z konstytutywną heterochromatyną?
Silna metylacja lizyny 9 histonu H3 występowała preferencyjnie w heterochromatycznych chromocentrach jąder Arabidopsis. Ogólnie rzecz biorąc, heterochromatyna została powiązana z trimetylacją H3 w lizynie 9, a analiza parsymonii ujawnia, że metylacja histonu H3K9 jest, obok deacetylacji histonów, najbardziej stabilnym ewolucyjnie heterochromatycznym znakiem. Klasyczne modyfikacje histonów związane z heterochromatyną obejmują również H3K27me1 i H3K27me2. Funkcja H3K36me3 nie ogranicza się tylko do regionów aktywnie transkrybowanych i może przyczyniać się do składu heterochromatyny. Inne znaczniki metylacji histonów zwykle występujące w konstytutywnej heterochromatynie to H4K20me3, H3K9me3 i H3K79me3. H3S10P jest dobrym markerem heterochromatyny pericentromerycznej.