Комплекси ремоделювання хроматину

Підвищення доступності промоторів при їх активації потребує спеціальних механізмів. Справа в тому, що за фізіологічної іонної сили електростатичні взаємодії ДНК та гістонів є дуже міцними, і нуклеосома зберігає високу стабільність. Ця стабільність практично виключає навіть переміщення нуклеосоми вздовж ДНК (слайдинг): таке переміщення потребує появи високоенергетичних інтермедіатів із частковим порушенням взаємодії гістонів із ДНК. Оскільки переміщення нуклеосом є необхідним для експонування регуляторних сайтів на ДНК до дії транскрипційних факторів, у клітині існує спеціальна система, що сприяє репозиціюванню нуклеосом за рахунок індукування проміжних структурних станів: АТР-залежні комплекси ремоделювання хроматину.

На сьогодні описано велику кількість таких комплексів у дріжджів, комах і ссавців. Усі комплекси ремоделювання (КР) – мультибілкові комплекси досить великої молекулярної ваги – містять у своєму складі субодиницю, що має АТР-азну активність. Власне АТР-азний домен є дуже подібним для усіх комплексів і має високу гомологію з ДНК-геліказами. У залежності від наявності додаткових структурних доменів різного типу в складі каталітичної субодиниці, КР розділяють на три групи:

1) Swi/Snf (Switch/Sucrose non-fermenting – назва походить від першого описаного КР цієї родини, який було відкрито як групу мутацій дріжджів з певними біохімічними проявами) – комплекси складаються з 10-15 субодиниць, каталітична субодиниця містить бромодомен, під час дії комплексу спостерігаються різноманітні проміжні структурні форми нуклеосом;

2) ISWI (Imitation SWItch) – 4-5 субодиниць, індукують слайдинг нуклеосом без масштабних змін їхньої структури;

3) CHD (Chromodomain Helicase DNA binding) – містять хромодомен та гістон-деацетилазу, тісно пов’язані з перебудовами хроматину в репресованих ділянках.

Крім того, є низка комплексів, що не вкладаються у цю класифікацію. КР здатні здійснювати численні взаємодії з нуклеосомною ДНК, гістоновими хвостами, специфічними та загальними факторами транскрипції, гістон-ацетилтрансферазами тощо. При взаємодії з нуклеосомою КР та нуклеосома чітко орієнтуються відносно одне одного: принаймні, КР родини Swi/Snf оточують нуклеосому, зв'язуючи її всередині глибокої порожнини.

Основний результат активності всіх комплексів ремоделювання – репозиціювання нуклеосом. Крім того, комплекси родини Swi/Snf можуть індукувати перенос октамера гістонів з однієї ділянки ДНК на іншу або з ДНК на проміжні акцептори гістонів (див. розділ 4).

Рис. 6.16. Модель дії комплексу ремоделювання шляхом створення торсійної напруги в ДНК, яка входить у нуклеосому.

Механізм дії комплексів ремоделювання базується на гомології з ДНК-геліказами. Незважаючи на таку гомологію, АТР-азна субодиниця КР не здатна діяти як геліказа – розводити два ланцюги. Подібно до геліказ, комплекси ремоделювання, використовуючи енергію гідролізу АТР, пересуваються вздовж ДНК, але без її руйнування. Така транслокація має бути пов’язана з одночасним обертанням ферменту навкруг подвійної спіралі, або навпаки – прокруткою спіралі через фермент. Оскільки КР при цьому зафіксований на нуклеосомі, тобто взаємне обертання комплексу і нуклеосоми є неможливим, рух комплексу в бік від нуклеосоми буде генерувати торсійну напругу (зміну твіста), штовхаючи додаткові витки подвійної спіралі всередину нуклеосомної ДНК (рис. 6.16). Такий сценарій роботи комплексів ремоделювання розглядається сьогодні як найбільш імовірний.

Рис. 6.17. Два механізми зміни трансляційної позиції нуклеосоми в результаті активності комплексів ремоделювання.

Напруга, яка створюється за рахунок транслокації комплексу ремоделювання, може трансформуватися в зміну твіста в межах кінцевої ділянки нуклеосомної ДНК. Локальна зміна твіста буде дифундувати всередину нуклеосоми, результатом чого буде прокрутка подвійної спіралі по поверхні октамера гістонів, тобто, в решті решт, зміна його позиції (рис. 6.17). При такому механізмі переміщення шляхом твістинга (twisting) не повинно спостерігатися великих змін в структурі нуклеосоми під час її пересування. Саме це й характерно для комплексів ремоделювання типу ISWI.

Комплекси ремоделювання родини Swi/Snf здатні генерувати проміжні стани нуклеосоми, в яких ДНК є більш доступною для нуклеаз, за рахунок формування петлі ДНК на поверхні октамера гістонів. Отже, на відміну від попереднього механізму, для комплексів Swi/Snf напруга, що є результатом транслокації, викликає випетлювання (bulging) нуклеосомної ДНК. Така петля ймовірно формується на кінцевій ділянці ДНК у нуклеосомі і далі пересувається по поверхні октамера, що призводить, знов, до зміни позиції нуклеосоми (рис. 6.17).

Проміжні метастабільні стани нуклеосоми з випетлюванням ДНК можуть відігравати важливу функціональну роль самі по собі, оскільки вже можуть забезпечувати зростання доступності нуклеосомної ДНК: експонування петлі створює умови для її “захоплення“ транскрипційними факторами. Крім того, значна дестабілізація ДНК-гістонових взаємодій у проміжному стані з випетлюванням значно підвищує імовірність руйнування нуклеосоми: у присутності Swi/Snf продемонстровано перенос гістонів на іншу ділянку ДНК або на проміжні переносники гістонів.

Обидва описані механізми дії комплексів ремоделювання розпочинаються з ділянки ДНК на вході до нуклеосоми. Відповідно, ця ділянка має бути вільною від гістона Н1: Н1 і КР конкурують між собою за зону входу/виходу нуклеосомної ДНК.

Шляхи рекрутування комплексів ремоделювання до промоторів. Насправді функціональні наслідки ремоделювання хроматину певним комплексом можуть бути різноманітними. Серед відомих на сьогодні комплексів ремоделювання, лише один – NuRD (Nucleosome Remodeling and Deacetylation), представник родини CHD – працює виключно як корепресор. Дія інших комплексів ремоделювання призводить або до репресії, або до активації у залежності від контексту інших функціонально важливих впливів, у кооперації з якими працює даний комплекс.

У випадку активації система АТР-залежного ремоделювання хроматину завжди працює кооперативно із системою ацетилювання гістонів. Реалізуються різноманітні стратегії рекрутування КР до промоторів:

• За рахунок взаємодії КР з транскрипційними факторами. Активація ініціюється ТФ, який впізнає невеликий сайт зв'язування на ДНК (навіть на поверхні нуклеосоми) і безпосередньо рекрутує комплекс ремоделювання, або КР рекрутується пізніше на стадії збірки енхансосоми іншими ТФ. Після цього, як правило, до енхансосоми рекрутується гістон-ацетилтрансферазний комплекс.

• Рис. 6.18. Послідовність подій при активації дріжджевого промотору INO1.

  За рахунок впізнання ацетильованих Lys бромодоменом, що входить до складу КР. Один з прикладів, який поєднує цей та попередній шляхи рекрутування КР, представлено на рис. 6.18: невеликий транскрипційний фактор зв'язується у промоторі та рекрутує гістон-кіназу; кіназа здійснює фосфорилювання Ser-10 гістона Н3 та дисоціює; фосфорильований Ser-10 та транскрипційний фактор впізнаються гістон-ацетилтрансферазою, відбувається ацетилювання лізинів; ацетильовані Lys та ТФ рекрутують SWI/SNF (комплекс, що належить до родини Swi/Snf), який, здійснюючи репозиціювання нуклеосоми, звільняє ТАТА-бокс; відбувається зв'язування TFIID і збірка преініціаторного комплексу. Інший приклад див. нижче на рис. 6.19.

• За рахунок взаємодії з білками ядерного матриксу (див. розділ 4), які, таким чином, можуть рекрутувати комплекс ремоделювання до основи хроматинової петлі – до ділянок, асоційованих з матриксом (MAR). Така ділянка часто використовується як своєрідні “вхідні ворота“ для факторів, що забезпечують регуляцію активності у межах петлі, де міститься один або кілька генів.

• За рахунок впізнання метильованих Lys хромодоменом, що входить до складу КР родини CHD. Комплекси цієї родини містять також структурні модулі, здатні впізнавати метильовані цитозини (5mC) у ДНК.

Таким чином, комплекси ремоделювання хроматину інкорпоровані у загальну систему регуляції транскрипції і працюють у тісній кооперації з транскрипційними факторами та системою посттрансляційних модифікацій гістонів.