Inaktywacja chromosomu X (XCI) polega na transkrypcyjnym wyciszeniu jednego X u samic ssaków, równoważąc ekspresję genów X między samicami (XX) i samcami (XY). U ssaków łożyskowych niekodujący XIST RNA wyzwala wyciszenie jednego X (Xi) i rekrutuje charakterystyczny zestaw modyfikacji epigenetycznych, w tym znak histonowy H3K27me3. U torbaczy, u których brakuje XIST, asocjacja H3K27me3 wydaje się mieć różne stopnie stabilności, w zależności od typów komórek i gatunków. Jednak kompletny zestaw znaczników histonowych związanych z z Xi i ich stabilność w całym cyklu komórkowym pozostają tajemnicą, podobnie jak ewolucja starożytnego systemu XCI ssaków. Nasza obszerna analiza immunofluorescencyjna (przy użyciu przeciwciał przeciwko specyficznym modyfikacjom histonów) w jądrach ssaków daleko spokrewnionych z człowiekiem i myszą, ujawniła ogólną nieobecność w terytorium Xi ssaków maszyn transkrypcyjnych i modyfikacji histonów związanych z aktywną chromatyną. Specyficzne represyjne modyfikacje związane z XCI u człowieka i myszy zaobserwowano również u słonia (daleko spokrewnionego ssaka łożyskowego). ssak łożyskowy), podobnie jak akumulacja RNA XIST. Jednak u dwóch gatunków torbaczy Xi albo brakowało tych modyfikacji (H4K20me1), albo były one ograniczone do określonych okien cyklu komórkowego (H3K27me3, H3K9me2). Co zaskakujące, Xi torbacza był stabilnie wzbogacony o modyfikacje związane z z konstytutywną heterochromatyną u wszystkich eukariontów (H4K20me3, H3K9me3). My proponujemy, że XCI torbacza jest porównywalny do systemu, który wyewoluował u wspólnego terian (torbaczy i łożyskowców). Cicha chromatyna wczesnego nieaktywnej X została zaadaptowana z sąsiedniej konstytutywnej heterochromatyny i we wczesnej ewolucji łożyskowej wczesnej ewolucji łożyskowej, została wzmocniona przez powstanie XIST i stabilną rekrutację specyficznych modyfikacji histonów. rekrutacji specyficznych modyfikacji histonów, obecnie klasycznie związanych z XCI. --- Transkrypcja niekodująca może wyzwalać posttranslacyjne modyfikacje histonów tworząc wyspecjalizowaną chromatynę. U rozszczepionych drożdży tworzenie heterochromatyny wymaga RNAi i kompleksu metylotransferazy histonów H3K9 CLRC, składającego się z Clr4, Raf1, Raf2, Cul4 i Rik1. CLRC pośredniczy w metylacji H3K9 i produkcji siRNA wykazuje również aktywność ligazy E3-ubikwityny in vitro. DCAF działają jako receptory substratowe dla ligaz E3 i mogą łączyć ubikwitynację z metylacją histonów metylacją histonów. Tutaj, strukturalne dopasowanie i mutacja charakterystycznych motywów WDxR w Raf1 wskazują, że jest to DCAF dla CLRC. Wykazaliśmy, że Raf1 promuje metylację H3K9 i amplifikację siRNA poprzez dwie różne, rozłączne funkcje. Związek Związek DCAF Raf1 z Cul4-Rik1 jest krytyczny dla metylacji H3K9, ale jest zbędne do przetwarzania transkryptów centromerowych w siRNA. Tak więc związek DCAF, Raf1, z jego adaptorem, Rik1, jest wymagany do metylacji histonów metylacji histonów i umożliwienia sygnału RNAi do chromatyny. --- Centromery to fragmenty DNA odpowiedzialne za prawidłową segregację chromosomów. segregację chromosomów. Składają się z chromatyny centromerowej otoczonej blokami pericentrycznej heterochromatyny, odgrywającej ważną rolę w funkcjonowaniu centromerów. W komórkach somatycznych domeny pericentryczne mają specyficzny wzór modyfikacji epigenetycznych histonów rdzeniowych i zawierają epigenetycznych modyfikacji histonów rdzenia i zawierają specyficzne białka pericentryczne. Te są prawdopodobnie ważniejsze dla funkcji centromeru niż sekwencja centromerowego DNA. sekwencja samego centromerowego DNA. W komórkach somatycznych białka HP1alpha i HP1beta są niezbędne do konstytutywnego tworzenia i utrzymania heterochromatyny. i jej utrzymania. Przeanalizowaliśmy lokalizację tych białek w pierwotnych, rosnących, w pełni rozwiniętych i dojrzewających oocytach myszy. Dodatkowo przeanalizowaliśmy potranslacyjne modyfikacje histonu H3, które mogą wpływać na asocjację HP1alfa i HP1beta z heterochromatyną. Wykazaliśmy że regiony konstytutywnej heterochromatyny mają odmienny wzór acetylacji histonu H3 oraz di- i trimetylacji jego lizyny 9. My wykazaliśmy, że białko HP1beta było obecne w pericentrycznych domenach chromatyny w pierwotnych oocytach, rosnących (aktywnych transkrypcyjnie) oocytach oraz w w pełni rozwiniętych oocytach i było uwalniane do cytoplazmy po rozpadzie pęcherzyka zarodkowego. pęcherzyka zarodkowego. W przeciwieństwie do tego, HP1alfa nigdy nie został wykryty w pierwotnych oocytach, został po raz pierwszy wykryty w pericentrycznej heterochromatynie w rosnących oocytach, oddzielił się od pericentrycznej heterochromatyny w pełni wyrośniętych oocytach i nigdy nie został wykryty w dojrzewających oocytach. nigdy nie wykryto w dojrzewających oocytach. Obecność białek HP1alpha i HP1beta na heterochromatynie aktywnych transkrypcyjnie oocytów i ich nieobecność w transkrypcyjnie cichych oocytach sugeruje, że są one niezbędne do represji syntezy RNA w domenach heterochromatyny transkrybujących oocytów. oocytów. --- 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. --- Powszechnie uważa się, że latencja wirusa opryszczki jest regulowana przez modyfikacje epigenetyczne. modyfikacje, ale dynamika chromatyny wirusowej we wczesnych punktach czasowych utajonej infekcji infekcji jest słabo poznana. Tutaj przedstawiamy kompleksową przestrzenną i czasową analizę metylacji DNA i modyfikacji histonów podczas utajonej infekcji zakażenia wirusem opryszczki związanym z mięsakiem Kaposiego (KSHV), czynnikiem etiologicznym mięsaka Kaposiego i pierwotnego chłoniaka wysiękowego (PEL). Dzięki zastosowaniu wysokiej rozdzielczości mikromacierzy kafelkowych w połączeniu z immunoprecypitacją metylowanego DNA (MeDIP) lub zmodyfikowanych histonów (chromatin IP, ChIP), nasze badanie ujawniło wysoce różne krajobrazy modyfikacji epigenetycznych związanych z utajoną infekcją KSHV w kilku liniach komórkowych pochodzących z nowotworów, jak również w zakażonych de novo komórkach śródbłonka. komórkach śródbłonka. Stwierdziliśmy, że genomy KSHV podlegają głębokiej metylacji w dinukleotydach CpG, prowadząc do ustanowienia charakterystycznych globalnych wzorów metylacji DNA charakterystycznych globalnych wzorców metylacji DNA. Jednak takie wzorce ewoluują powoli, a zatem jest mało prawdopodobne, aby kontrolować wczesnej latencji. W przeciwieństwie do tego zaobserwowaliśmy, że specyficzne dla latencji wzory modyfikacji histonów zostały szybko ustalone po infekcji de novo. Nasza analiza pokazuje ponadto, że takie wzorce nie charakteryzują się brak aktywujących modyfikacji histonów, ponieważ znaczniki H3K9/K14-ac i H3K4-me3 były wyraźnie wykrywane w kilku loci, w tym w promotorze transaktywatora cyklu litycznego transaktywatora cyklu litycznego Rta. Podczas gdy regiony te były ponadto w dużej mierze pozbawione konstytutywnego markera heterochromatyny H3K9-me3, zaobserwowaliśmy szybką i powszechną i powszechne odkładanie się H3K27-me3 w utajonych genomach KSHV, dwuwartościowej modyfikacja, która jest w stanie hamować transkrypcję pomimo jednoczesnej obecności aktywujących markerów. Nasze odkrycia sugerują, że zidentyfikowane że zidentyfikowane tutaj wzorce modyfikacji indukują stan represji podczas latencji wirusa. latencji wirusa, który może zostać szybko odwrócony po zaindukowaniu cyklu litycznego. --- Potranslacyjne modyfikacje aminokońców histonów są ważnym mechanizmem regulacyjnym Mechanizm regulacyjny, który indukuje zmiany w strukturze chromatyny, tym samym przyczyniając się do epigenetycznej kontroli genów i tworzenia wyspecjalizowanych subdomen chromosomalnych. subdomen chromosomalnych. Metylacja histonu H3 przy lizynie 9 (H3-Lys9) przez specyficzne dla miejsca metylotransferazy histonowe (Suv39h HMTases) oznacza konstytutywną heterochromatyny. Tutaj pokazujemy, że metylacja H3-Lys9 występuje również w fakultatywnej heterochromatynie nieaktywnego chromosomu X (Xi) u samic ssaków. Metylacja H3-Lys9 jest zachowana przez mitozę, co wskazuje, że może ona może stanowić epigenetyczny odcisk dla utrzymania stanu nieaktywnego. Zakłócenie dwóch mysich HMTaz Suv39h znosi metylację H3-Lys9 konstytutywnej heterochromatyny konstytutywnej heterochromatyny, ale nie heterochromatyny Xi. Ponadto, białka HP1, które normalnie wiążą się z heterochromatyną, nie gromadzą się z Xi. Obserwacje te sugerują istnienie niezależnego od Suv39h-HP1 szlaku regulującego metylację H3-Lys9 fakultatywnej heterochromatyny. --- 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. --- 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. --- 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.
Które potranslacyjne modyfikacje histonów są charakterystyczne dla konstytutywnej heterochromatyny?
H3K9me3 jest głównym markerem konstytutywnej heterochromatyny. Inne znaczniki metylacji histonów zwykle występujące w konstytutywnej heterochromatynie to H4K20me3 i H3K79me3. Klasyczne modyfikacje histonów związane z heterochromatyną obejmują H3K9me2, H3K27me1 i H3K27me2. Trimetylacja histonu H3 przy lizynie 36 jest związana z konstytutywną i fakultatywną heterochromatyną. Fosforylacja H3S10 oznacza konstytutywną heterochromatynę podczas interfazy we wczesnych zarodkach myszy aż do stadium 4-komórkowego