Ремоделювання хроматину ацетилюванням і нуклеосомальними перестановками

Детальний механізм асоційованих із транскрипцією структурних змін хроматину, включно із ідентифікацією різноманітних ензимів напряму задіяних в процесі, що називається ремоделюванням хроматину. Сюди відносяться ензими, які ковалентно модифікують гістони нуклеосом та інші, які використовують хімічну енергію АТФ для ремоделювання нуклеосом на ДНК (Таблиця 28-2).

Ацетилювання і деацетилювання гістонів асоційоване із активацією хроматину для транскрипції. Як відмічалося вище, аміно-термінальні домени гістонів серцевини нуклеосом зазвичай мають багато залишків Ліз. Визначені залишки Ліз ацетилюються ацетилтрансферазами гістонів (ГАТ). Цитозольні ГАТ (тип В) ацетилюють новосинтезовані гістони ще перед транспортом гістонів у ядро. Подальше складання гістонів у структуру хроматину полегшується додатковими протеїнами: CAF1 для Н3 і Н4 та NAP1 для Н2А і Н2В (див. Таблицю 28-2 для пояснення деяких із цих абревіатур).

У місці підготовки хроматину для транскрипції нуклеосомальні гістони піддаються подальшому ацетилюванню нуклеарними ГАТ (типу А). Ацетилювання багаточисельних залишків Ліз аміно-термінальних доменів гістонів Н3 і Н4 зменшує спорідненість нуклеосом до ДНК. Ацетилювання може також попереджувати чи полегшувати взаємодії між іншими протеїнами задіяними в самій транскрипції чи її регуляцї. У випадку, коли транскрипція гену більше не є потрібною, ацетилювання навколишніх нуклеосом зменшується завдяки активації деацетилаз гістонів, які є частиною процесу заглушення транскрипції генів. Все це призводить до відновлення структури хроматину до попереднього, транскрипційно-неактивного стану. На додаток до видалення певних ацетильних груп, транскрипційну інактивність хроматину визначають і нові ковалентні модифікації гістонів. Прикладом цього може бути залишок Ліз в позиції 9 у гістоні Н3, який часто метилюється в гетерохроматині.

Ремоделювання хроматину потребує протеїнових комплексів, які здатні активно рухатися і переміщувати нуклеосоми використовуючи для цього енергію АТФ (Таблиця 28-2). Комплекс ензимів SWI/SNF, що знайдений у всіх клітинах еукаріот складається із 11 поліпептидів (загальна Мв 210⁶), які разом утворюють гіперчутливі ділянки на хроматині і стимулюють приєднання транскрипційних факторів. Одначе, цей комплекс не є необхідним для активації транскрипції кожного гену. NURF преставляє ще один АТФ-залежний ензимний комплекс здатний ремоделювати хроматин у спосіб, який доповнює і перекриває дію SWI/SNF. Ці ензимні комплекси відіграють важливу роль в підготуванні ділянки хроматину для подальшої транскрипції.

Багато еукаріотичних промоторів регулюється позитивно

Як відзначалося раніше, еукаріотичним РНК полімеразам притаманна незначна, або не притаманна взагалі спорідненость до своїх промоторів, а активація транскрипції майже завжди залежна від численних активаторів протеїнів. Одна із важливих причин домінування позитивної регуляції є очевидною: зберігання ДНК у хроматині ефективно захищає доступ до більшості промоторів, що дозволяє відповідним генам не транскрибуватися за відсутності специфічних регуляторів. Структура хроматину визначає легшу доступність до одних промоторів у порівнянні із іншими, а репресори, що зв’язуються із ДНК і таким чином запобігають приєднанню РНК полімерази (негативна регуляція), часто є просто зайвими.

Таблиця 28-2

Деякі ензимні комплекси, що каталізують зміни структури хроматину асоційовані із транскрипцією

Ензимний комплекс*	Олігомерна структура (кількість полпептидів)	Джерело	Функція
GCN5-ADA2-ADA3	3	Дріжджі	GCN5 має ГАТ активність типу А
SAGA/PCAF	 20	Еукаріоти	Включає GCN5-ADA2-ADA3
SWI/SNF	11; загальна Mв 2106	Еукаріоти	АТФ-залежне ремоделювання нуклеосом
NURF	4; загальна Mв 500000	Дрозофіла	АТФ-залежне ремоделювання нуклеосом
CAFI	 2	Людина; дрозофіла	Відповідає за приєднання гістонів Н3 і Н4 до ДНК
NAP1	1; Мв 125000	Широко розповсюджені в еукаріот	Відповідає за приєднання гістонів Н2А і Н2В до ДНК

* Абревіатури, що використовуються для позначення еукаріотичних генів або протеїнів часто є більш заплутаними і незрозумілими ніж ті, що використовують у бактерій. Протеїни комплексів GCN5 (general control nonderepressible, англ) та ADA (alteration/deficiency activation, англ) були виявлені під час досліджень регуляції генів метаболізму азоту дріжджів. Ці протеїни можуть бути частиною ще більшого комплексу SAGA (SPF, ADA2,3,GSN5, ацетилтрансфераза) у дріжджів. Еквівалентом комплексу SAGA в людському організмі є PCAF (p300/CBP-асоційований фактор). Протеїн SWI (switching – переключання, англ) було виявлено як такий, що необхідний для експресії певних генів задіяних у переключення на статевий цикл розмноження у дріжджів, а SNF (sucrose nonfermenting – фактор неферментації цукрози, англ) як фактор для експресії генів метаболізму цукрози у дріжджів. Наступні дослідження виявили численні протеїни SWI та SNF які функціонують у комплексі. Комплекс SWI/SNF відіграє роль у експресії широкого спектру генів і знайдений у багатьох еукаріот, включно із людиною. NURF (nuclear remodelling factor – ядерний фактор ремоделювання, англ); CAF1 (chromatin assembly factor – фактор упаковування хроматину, англ); NAP1 (nucleosome assembly protein - протеїн упаковування нуклеосом).

Серед переваг позитивної регуляції важливу роль приписується величині еукаріотичного геному і ефективності позитивної регуляції.

По-перше, неспецифічне зв’язування регуляторних протеїнів із ДНК є великою проблемою при набагато більшому геномі вищих еукаріот. Ймовірність випадкового зв’язування унікальної специфічної послідовністі із невідповідним сайтом також підвищується із зростанням величини геному. Специфічність активації транскрипції покращиться у випадку приєднання кожного із декількох позитивних протеїнів-активаторів до специфічних ділянок ДНК і утворення комплексу, який активуватиметься лише після приєднання всіх протеїнів. Всередньому, в багатоклітинному організмі у пересічного гену є щонайменше 5 регуляторних сайтів. Умова приєднання декількох позитивних протеїнів-регуляторів до визначених ділянок ДНК значною мірою зменшує ймовірність випадковості функціональних накладок усіх регуляторних сайтів зв’язування. В принципі, така ж стратегія може використовуватися і у випадку негативної регуляції, що призводить до вияснення наступної причини використання позитивної регуляції - вона просто є більш ефективною. Якщо б від 30,000 до 35,000 генів людського геному регулювалися негативним чином, кожна клітина повинна була б постійно синтезувати таку ж кількість різноманітних репресорів (чи навіть в багато раз більшу, у випадку використання багаточисельних регуляторних елементів у кожному із промоторів) в концентраціях, які б забезпечували необхідний рівень зв’язування для кожного “небажаного” гену. У випадку позитивної регуляції більшість генів в нормальному стані є неактивними (і тому РНК полімераза не зв’язується із їх промоторами), а клітина синтезує лише протеїни-активатори необхідні для стимулювання транскрипції генів необхідних клітині в даний момент. Зрешту, все вищесказане не заперечує існування негативної регуляції в еукаріот (від дріжджів до людини) і ми згодом повернемося до цього питання.