Next: Biologiczna rola histonu H1 Up: Organizacja chromatyny Previous: Wielobiałkowe maszyny komórkowe zaangażowane   Spis rzeczy

Wyspecjalizowane aktywujące i reprymujące kompleksy białkowe, potrzebne do podtrzymywania struktury chromatyny i wzoru ekspresji genów

Jedną z zasadniczych kwestii w regulacji rozwoju eukariontów jest utrzymanie wzoru ekspresji genów, który ustala się na wczesnych etapach różnicowania komórek. Po rozpoczęciu procesu różnicowania, komórki realizują ustalony plan rozwojowy, zapisany w genach organizowanych przez struktury chromatynowe. Mechanizmy potrzebne do utrzymania ustalonego wzoru ekspresji genów nazwano pamięcią komórkową i poznano najlepiej u Drosophila (Kennison, 1995; Hagstrom i Schedl, 1997), chociaż wykryto je również u innych eukariontów, w tym u roślin (Preuss, 1999).

U Drosophila tożsamość segmentów ciała zależy od utrzymania ograniczonych przestrzennie wzorów ekspresji genów  homeotycznych. Geny te zebrane są na chromosomach w dwa regiony: Antennapedia i bithorax (Kennison, 1995). Zaburzenia w ekspresji któregokolwiek z genów z tych kompleksów genowych prowadzi do charakterystycznych rozwojowych mutacji homeotycznych. W procesie podtrzymywania pamięci komórkowej uczestniczą białka z dwóch grup trithorax (trx-G) i Polycomb (Pc-G), składające się na ogromne kompleksy białkowe o masie 2 5 MDa (van Lohuizen, 1999). Pierwsze z nich pełnią w chromatynie funkcje aktywatorów transkrypcji, drugie zaś represorów. Przypuszczalny mechanizm działania kompleksów trx-G i Pc-G w chromatynie przedstawia rysunek 12.

Do białek z grupy Polycomb zaliczają się m. in. polycomb (Pc), polycomblike (Pcl), Extra sex combs (Esc) i Enhancer of zeste (E(z)). Utrata jakiegokolwiek z genów kodujących te białka nie zmienia wzoru ekspresji genów homeotycznych, lecz powoduje spadek ich represji na dalszych etapach embriogenezy, prowadząc do mutacji homeotycznych.

Nieduże białko Pc (390 aminokwasów, 44 kDa) w swoim końcu aminowym zawiera konserwowany motyw  chromodomeny (37 aminokwasów), obecny również w drożdżowym białku SWI6, oraz w białku HP1 Drosophila związanym z heterochromatyną i kodowanym przez gen Su(var)205 (Eissenberg i wsp., 1992). To ostatnie białko (patrz poprzednia część Wstępu), związane jest z tak zwanym efektem zmiany barwy w zależności od położenia (PEV, ang. position effect variegation), podczas którego wyciszeniu ulegają geny przemieszczone w pobliże struktur heterochromatynowych. Represja wywierana przez kompleksy białek Pc-G nie musi być jednak, w przeciwieństwie do PEV, związana z heterochromatynizacją.

Doświadczenia przeprowadzone w ostatnich latach wskazują, że u Drosophila i u myszy istnieją dwa funkcjonalne kompleksy białek tej grupy: pierwszy z nich potrzebny jest na wstępnym etapie procesu represji chromatynowej, zaś w jego w skład wchodzą białka Extra sex combs i Enhancer of zeste. Drugi kompleks zawiera m in. białka Polycomb, Posterior sex combs (Psc) i Polyhomeotic (Ph) (van Lohuizen, 1999), a jego znaczenie polega na podtrzymaniu rozpoczętej już represji, którą kompleks Pc-G wywiera w stosunku do konkretnych genów. Przypuszcza się, że w oddziaływaniu z DNA jednego z genów z grupy Polycomb, esc, uczestniczy kompleks Mi-2, w którego skład wchodzi również deacetylaza histonowa (patrz wcześniejsza część Wstępu; Kehle i wsp., 1998). Myszy pozbawione genów Pc-G, lub wyrażające nadmierną dawkę białka bmi-1 (homologa białka psc Drosophila), wykazują charakterystyczne defekty rozwojowe, takie jak zaburzenia szkieletu osiowego oraz zmieniony wzór proliferacji i żywotności komórek krwiotwórczych (Gould, 1997). Podobne efekty obserwowane są w trakcie utraty kontroli nad ekspresją genów homeotycznych u człowieka, co objawia się wrodzonymi defektami rozwoju szkieletu (wielopalczastość) i białaczkami (Look, 1997).

Poza wpływem na geny homeotyczne, białka z grupy Polycomb wiążą się do licznych innych miejsc na chromosomach. I tak, u myszy jednym z nich jest locus INK4a, kodujący inhibitory cyklu komórkowego p16 i p19Arf (Jacobs i wsp., 1999). Nadekspresja białka bmi-1 powoduje zmniejszenie produkcji tych inhibitorów. Związek tych białek ze sobą jest ważny o tyle, że zarówno p16, jak i p19Arf są regulatorami szlaków supresji nowotworowej białek Retinoblastoma (RB) i p53, które stanowią komórkowy mechanizm odliczający podziały komórkowe i chroniący komórki przed unieśmiertelnieniem (Sharpless i DePinho, 1999). Tym samym, kompleksy Pc-G są być może częścią komórkowego zegara odliczającego podziały komórek. Z najbardziej dramatycznym efektem  działania genów z grupy Polycomb mamy do czynienia u myszy pozbawionych genu M33, homologa genu Polycomb Drosophila: u homozygotycznych zwierząt dochodzi do zmiany płci z męskiej na żeńską (Katoh-Fukui i wsp., 1998). Może to przypuszczalnie świadczyć o wpływie represji Pc-G na szlak determinacji płci SRY .

Ostatnio białka z grupy Polycomb odkryto również u roślin (Preuss, 1999). U roślin wyższych, takich jak Arabidopsis, geny te mają wpływ na rozwój zarodka i bielma: mutacje w genach FIE (ang. Fertilization Independent Endosperm; bielmo niezależne od zapłodnienia; Ohad i wsp., 1996) lub FIS (ang. Fertilization Independent Seed, nasienie niezależne od zapłodnienia; Chaudhury i wsp., 1997) są zdolne do pobudzenia wytwarzania bielma, powstawania otoczki nasiennej, wydłużania nasienia, a nawet częściowego rozwoju zarodka bez wcześniejszego zapłodnienia. Takie efekty fenotypowe przypominają apomiksję, będącą formą rozrodu nie powiązanego z zapłodnieniem. Gen FIE wykazuje 40% homologii do genu extra sex combs (esc) z grupy Polycomb Drosophila i genu Embryonic ectoderm development (Eed) ssaków (Ohad i wsp., 1999). Gen FIS2 koduje białko zawierające motyw palca cynkowego i sygnał lokalizacji w jądrze komórkowym, co sugeruje, że może być zaangażowane w kontrolę transkrypcyjną (Luo i wsp., 1999). Innym genem Arabidopsis z grupy Polycomb jest MEDEA (Grossniklaus i wsp., 1998). Mutacje w tym genie powodują przeciwne zjawisko, niż w przypadku genów FIS i FIE: rozrost zarodka kosztem bielma, a następnie obumieranie zarodka w wyniku letalnych zaburzeń w jego rozwoju (Scott i wsp., 1998). MEDEA zawiera domenę SET wykazującą 55% homologii do innego białka z grupy Polycomb - enhancer of zeste (E(z)) Drosophila (Grossniklaus i wsp., 1998). Wszystkie mutacje w roślinnych genach Polycomb wywierają działanie jedynie wówczas, gdy mutację dostarcza haploidalna linia mateczna i dotyczą wyłącznie komórek generatywnych. (W roślinnych mutantach fie i medea nie dochodzi do zaburzeń wzrostu wegetatywnego). Do tej pory w roślinach zidentyfikowano około 10 genów z grupy Polycomb. Należy do nich także gen CURLY LEAF, niezbędny do regulacji genów homeotycznych zaangażowanych w proces kwitnienia (Goodrich i wsp., 1998). Jest wysoce prawdopodobne, że działanie roślinnych białek z grupy Polycomb związane jest z wygaszaniem ekspresji genów w podobny sposób, jak ma to miejsce u Drosophila (poprzez tworzenie represywnych transkrypcyjnie struktur chromatynowych), choć mogą one uczestniczyć również w kontroli równowagi rodzicielskiego składu genomowego, biorąc udział w procesie piętnowania genetycznego (ang. imprinting) (Scott i wsp., 1998).

Podczas gdy białka z grupy Polycomb pełnią w chromatynie funkcje represorów transkrypcyjnych, rola aktywatorów przypada tworzącym kompleksy białkom z grupy trithorax (Orlando i Paro, 1995; van Lohuizen, 1999).

Do białek tych, u Drosophila, należą m. in. polipeptydy kodowane przez gen trithorax: trxI, o masie cząsteczkowej 368 kDa i trxII, o masie 404 kDa. Oba białka zawierają centralny obszar bogaty w cysteiny, przypominający domenę palców cynkowych. Domeny te odnaleziono także w ludzkim białku ALL1 (MLL, HRX), zdolnym do tworzenia przeszło 30 różnych fuzji z innymi polipeptydami komórkowymi, i związanym z licznymi białaczkami (van Lohuizen, 1999). Białko trx wykryto w ponad 16 miejscach na politenicznych chromosomach Drosophila, do których wiążą się również białka z grupy Polycomb. Wiązanie się białek trx do chromosomów jest uzależnione od obecności innych składników kompleksu trx, oraz białek Pc-G. I tak, jeżeli w chromatynie zabraknie białka Enhancer of zeste, od swoich miejsc wiązania na chromosomachodłączają się białka trithorax i Posterior sex combs (należące do Pc-G) (Rastelli i wsp., 1993). Co ciekawe, zarówno w niektórych białkach z grupy trithorax (np. trx), jak i Polycomb (Pcl, E(z)) występują identyczne motywy białkowe, takie jak palce PHD, albo domena SET (Orlando i Paro, 1995). Sugeruje to, że te przeciwstawnie działające białka mogą wykorzystywać podobne mechanizmy molekularne, lub wiązać się do podobnych miejsc na chromosomach.

Do białek trx-G należy również brahma, zawierające bromodomenę i zależną od DNA ATPazę i helikazę (patrz poprzednia część Wstępu). Białko to jest homologiem drożdżowych polipeptydów SWI2/SNF2 i ssaczych białek brg1/brm1. Bromodomena została wykryta również w białku z grupy trx lin-49 Caenorhabditis elegans,  które jest zaangażowane (wspólnie z innym białkiem z tej grupy, lin-59) w regulację normalnego rozwoju męskich przydatków płciowych i odbytu, a także w utrzymywanie właściwej budowy pokładełka (struktury niezbędnej do składania jaj) (Chamberlin i Thomas, 2000).


Next: Biologiczna rola histonu H1 Up: Organizacja chromatyny Previous: Wielobiałkowe maszyny komórkowe zaangażowane   Spis rzeczy
Tomasz Calikowski 2000-06-15