Гистоновый код. Учитывая количество модификаций (рис. 2.3), возможно существование нескольких тысяч различных изоформ нуклеосом, различающихся набором модифицированных аминокислотных остатков.
Разнообразные комбинации (паттерны) модификаций привлечены к регуляции функциональных процессов в хроматине - несут определенную информацию, система считывания этой информации базируется на познании модифицированных остатков негистоновимы белками. Соответствие между паттернами модификаций и набором белков, которые узнают (и функциональными последствиями такого опознания), называется гистоновых кодом. Белки, способные взаимодействовать с модифицированными гистонами, называют эффекторами.
Некоторые наиболее распространенные структурные модули, способные узнавать модифицированные остатки в гистонов и встречаются во многих негистонових белках:
• Бромодомен (bromodomain) - структурное домен в белках, узнает ацетилированные лизина в гистонов (рис. 8, цвет. В ст.). Довольно часто бромодомены являются специфическими-такими, которые способны взаимодействовать только с конкретным ацетилированным Lys. В частности, белки, содержащие бромодомен, часто входят в состав гистона-ацетилтрансферазних комплексов: НАТ способна узнать ацетилированный Lys одной нуклеосомы и осуществить ацетилирования другой, на той же нуклеосомы или на другой - ацетилирования гистонов в определенной геномной зоне может распространяться по таким каскадным механизмом. Многие другие белков, вовлеченных в активации транскрипции (в частности, компоненты общего фактора транскрипции TFIID) также содержат бромодомены.
• Хромодомен (chromodomain) взаимодействует с метилированных лизина. Например, хромодомен в составе гетерохроматинового белка НР1 специфически взаимодействует с метилированных H3Lys9, и это взаимодействие является существенным элементом системы поддержания гетерохроматинового состояния (раздел 5).
• PHD-палец (PHD-finger, Plant HomeoDomain) также узнает метилированных лизина - в частности являющиеся маркерами активированного по транскрипции состояния хроматина. Примером двухвалентного эффектора является транскрипционный фактор BPTF (bromodomain + PHD) - в его составе бромодомен, что узнает ацетилированный Lys, присоединен а-спиральной линкера к PHD-пальца, связывается с триметильованим Lys4 в гистона Н3 (рис. 8, цвет. в ст.).
Физической основой гистоновых кода является то, что элементы системы регуляции транскрипции узнают сразу много различных модификаций: взаимодействие с каждым отдельным модифицированной группой довольно слабой, но в целом родство одного или нескольких белков-эффекторов к данной нуклеосомы может быть достаточно высокой. Такая мультивалентна взаимодействие обеспечивает динамичный характер связывания: одну из определенного набора взаимодействий можно легко разрушить за счет какого-то конкурента, что снизит общую родство и нарушит комплекс. Различные варианты мультивалентних взаимодействий с гистоновых хвостами схематично показано на рис. 2.5.
Мультивалентна взаимодействие различных эффекторов обеспечивает не только специфическое связывание модифицированных гистонов, но и взаимное влияние модификаций друг на друга. Например, в активированных участках хроматина метилирования H3Lys4 ингибирует связывание гистона-деацетилаз и гистона-метилтрансферазы, которая отвечает за метилирования H3Lys9. Одновременно, фосфорилирования H3Ser10 индуцирует ацетилирования последнего лизина и H3Lys14, эти остатки в ацетилированный состоянии дополнительно блокируют связывание НМТ (рис. 2.6). Деацетилирования указанных лизинов, наоборот, стимулирует связывание НМТ, осуществляющее метилирования H3Lys9, а этот последний метилированных остаток ингибирует метилирования H3Lys4 другой гистона-метилтрансферазой - такая комбинация модификаций в N-конечном хвосте Н3 является признаком репрессированных участков (рис. 2.6).
Обычно, как в рассмотренном примере, метилированных H3Lys4 является маркером активных, а H3Lys9 - репрессированных и гетерохроматинових участков. Однако, комбинация метилированных H3Lys4, H3Lys9 и H4Lys20 узнается одним из активаторов транскрипции. К общей системе гистоновых кода привлечено также и убиквитинування гистонов Н2А и Н2В. Как уже упоминалось выше, убиквитинований Н2А (uH2A) является обычно маркером репрессии. В нуклеосомы С-концевой хвост Н2А расположен в зоне входа / выхода нуклеосомнои ДНК - там, где нуклеосомы взаимодействует гистона Н1 (см. рис. 15, цвет. В ст.). Появление убиквитина повышает сродство к Н1 и, соответственно, стабилизирует компактный состояние хроматиновыми фибриллы. Кроме того, uH2A ингибирует метилирования H3Lys4 (маркера активных участков). И наоборот, деубиквитиназа uH2A рекрутируется в межмолекулярных комплексов, собираются на промотор при активации транскрипции.
Убиквитинований Н2В (uH2B) является важным активатором метилирования H3Lys4 - убиквитин узнается фактором, необходимым для активации соответствующей гистона-метилтрансферазы. После того, как метилирования (долгосрочная модификация) состоялось, убиквитин удаляется, выполнив свою роль, - в активных участках до 5% Н2В является убиквитинованимы, но до 35% Н3 - метилированных по Lys4. Кроме того, uH2B вероятно служит барьером для нормального движения РНК-полимеразы при транскрипции - его удаления после инициации транскрипции с нуклеосомы, что находится сразу за стартовой точкой, является необходимым условием нормального продолжения движения полимеразы.
Некоторые наиболее характерные комбинации гистоновых модификаций, по которым различаются разные функциональные состояния хроматина клеточной линии дрозофилы, приведены в табл. 2.1. На самом деле, комбинаторный анализ позволяет выделить 30 таких групп комбинаций - 30 состояний хроматина, различающихся по функциональным свойствам и паттернами гистоновых модификаций.