Белки группы polycomb

Белки группы polycomb (англ. Polycomb-group proteins) — это семейство белков, которые способны ремоделировать хроматин. Впервые открыты у дрозофил.^[1]

Эти белки так видоизменяют структуру хроматина, что транскрипционные факторы не могут связываться с промоторными последовательностями ДНК. Белки группы polycomb играют важную роль в сайленсинге гомеозисных генов, модулируя структуру хроматина.^[2]

У млекопитающих

Белки группы поликомб (PcG) представляют собой семейство эпигенетических регуляторов, которые, модифицируя гистоны, подавляют активность множества генов, отвечающих за клеточную дифференциацию У млекопитающих найдены две основные группы комплексов содержащих PcG белки — это Ингибиторный комплекс 1 (PRC1) и Ингибиторный комплекс 2 (PRC2). Гены PRC1 млекопитающих значительно схожи с соответствующими генами дрозофилы. Экспрессия генов группы polycomb имеет большое значение в биологии развития человека. Мыши, нокаутные по обеим копиям гена PRC2 погибают на стадии зародыша, в то время как нокауты по генам PRC1 являются гомеозисными мутантами и погибают после рождения. Повышение уровня экспрессии белков группы polycomb повышает инвазивность и коррелирует с более тяжелым развитием раковых опухолей.

Комплекс PRC1

Комплекс PRC1 состоит из следующих субъединиц:

• PHC (polyhomeotic) — Точная функция ее пока не ясна.
• Семейство субъединиц CBX, которые участвуют в механизмах поддержания баланса между самообновлением и дифференцировкой стволовых клеток:^[3] (субъединицы CBX2, CBX4 и CBX8 — связываются с гистоном Н3К27me3, ингибируют экспрессию гена CBX7, необходимого для поддержания плюрипотентного состояния клетки и таким образом способствуют дифференцировке клеток,^[4][5] в свою очередь CBX7-ингибирует синтез субъединиц CBX2, CBX4 и CBX8, необходимых для дифференцировки, и таким образом поддерживает плюрипотентное состояние клетки).
• Bmi1 — необходима для пролиферации стволовых клеток.^[6][7] Это связано с тем, что она подавляет экспрессию белков p16Ink4a^[8] и p19Arf (оба эти белка кодируются альтернативными рамками считывания локуса Ink4a/Arf, известного также как Cdkn2a), препятствующих перепрограммированию в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК). Кроме того Bmi1 может замещать транскрипционные факторы Sox2, Klf4 и c- Myc при перепрограммировании фибробластов в ИПСК.^[9] Предполагается, что Bmi1 контролирует работу митохондрий и образование в них реактивных форм кислорода способных вызвать повреждения ДНК.^[10]
• PCGF2 (Polycomb group RING finger protein 2) ортолог Bmi1. Функционально не отличается от Bmi1.
• RYBP или его гомолог YAF2-субъединица альтернативного комплекса RYBP-PRC1, который содержит RYBP, RING1B, и PCGF2/ Bmi1 и не содержит CBX, PHC, SCM субъединиц.^[11]
• RING1-субъединица комплекса PRC1 которая осуществляет моноубиквитинирование гистона H2A с образованием H2A K119ub. Удаление гена Ring1B приводит к потере сразу нескольких PRC1 белков, в том числе RYBP, Cbx4, PCGF2 и Bmi1.
• SUV39H1 (histone-lysine N-methyltransferase)-Этот ядерный белок во время митоза перемещается к центромерам. Он играет важную роль в организации хроматина, разделении хромосом и в механизмах митоза, функционируя как метилтрансфераза метилирующая лизин-9 гистона H3 с образованием Н3К9me3 — метки репресии.
• L3mbtl2 член атипичного комплекса PRC1. Он имеет важное значение для раннего эмбрионального развития. Способствует пролиферации клеток и подавляет дифференциацию. Взаимодействует с факторами плюрипотентности и аналогом PRC1 содержащим G9A, Hdac1 и Ring1b.^[12]

Комплекс PRC1 ингибирует гены и переводит хроматин в компактную форму^[13] — гетерохроматин. С помощью одной из его субъединиц-CBX он может связываться с «меткой репрессии» — гистоном Н3К27me3 нуклеосомы. Кроме того, с помощью субъединицы Bmi1 может связываться с нуклеосомой через комплекс транскрипционных факторов Runx1/CBFβ независимо от метки Н3К27me3. С помощью субъединицы RING1, стимулируемой субъединицей Bmi1 или RYBP, он осуществляет моноубиквитинирование гистона H2A с образованием H2A K119ub, что приводит к компактизации хроматина. Кроме того с помощью субъединицы CBX7 он сажает на промоторы генов длинные некодирующие РНК (lncRNA), что приводит к их взаимодействию с ДНК хроматина и ингибированию соответствующих генов.^[14][15] CBX7 в этом случае играет роль «кепирующей» шапочки, предотвращающей деградацию lncRNA с последующей «не запланированной» активацией гена.

Комплекс PRC2

Комплекс PRC2 вызывает транскрипционную репрессию путем метилирования гистонов и негистоновых белков. Для его посадки на ген-мишень необходима метка активного хроматина Н3К4me3 (в образовании которой важную роль играют белки группы Trithorax ) и специальная некодирующая РНК связывающаяся с субъединицей SUZ12.^[16] Комплекс PRC2 имеет сложную молекулярную архитектуру^[17] и состоит из следующих субъединиц:

• EZH2-является метилтрансферазой гистонов и негистоновых белков. EZH2 необходим для восстановления тканей, способствуя регенеративной пролиферации прогениторных клеток. Потеря EZH2 приводит к нарушению регенерации, тогда как избыточный синтез метилтрансферазы EZH2 приводит к неопластической трансформации клетки, а мутации в ее каталитическом домене приводят к лимфоме. Помочь борьбе с этими недугами сможет небольшая молекула GSK126 которая с высокой избирательностью ингибирует EZH2, конкурируя с S-аденозил-метионином (SAM), в результате чего снижается уровень метилированных H3K27 и активизируются гены-мишени подавленные PRC2.^[18]
• EED — Субъединица комплекса PRC2 функция которой пока не вполне понятна.
• SUZ12-Субъединица комплекса PRC2, связывающаяся со специальной некодирующей РНК.^[19]
• Jarid2 (jumonji, AT rich interactive domain 2)идентифицирован как деметилаза гистонов, является одним из ключевых эпигенетических регуляторов процессов развития. Он функционирует как транскрипционный репрессор генов-мишеней. Его синтез значительно повышен в ЭСК по сравнению с дифференцированными клетками. «Нокдаун» этой субъединицы приводит к активации генов связанных с дифференцировкой клетки и существенно снижает возможность перепрограммирования фибробластов в ИПСК.^[20]
• Mtf2 (metal response element binding transcription factor 2) известен также как PCL2 (polycomb-like 2) Субъединица комплекса PRC2. Нокдаун гена этой субъединицы приводит к активации генов связанных с дифференцировкой клетки и существенно снижает возможность перепрограммирования фибробластов в ИПСК
• esPRC2p48-Субъединица комплекса PRC2.

Длинные некодирующие РНК (lncRNA) и короткие некодирующие РНК (miR)

Длинные некодирующие РНК (lncRNA). Взаимодействуя с ДНК хроматина ингибируют транскрипцию соответствующих генов. lncRNA помогают комплексам PRC2 и PRC1 выбрать ген-мишень. Обнаружено, что у lncRNA гораздо больше выражена тканевая специфичность по сравнению с РНК кодирующими белки, что делает их привлекательными диагностическими биомаркерами.^[21]

• Kcnq1ot1 (94 kb)- Взаимодействуя с комплексами PRC2 и PRC1 ингибирует кластер Kcnq1.
• Xist (17 kb)-Взаимодействуя с комплексом PRC2 участвует в модификации гистонов Х-хромосомы^[22]
• HOTAIR (2 kb)-Взаимодействуя с комплексом PRC2 ингибирует НОХ локус.
• ANRIL(3.8 kb)- Взаимодействует с комплексами PRC1 и PRC2. Вызывает ингибирование комплексом PRC1 локуса INK4b/ARF/INK4a, ответственного за подавление опухолевого роста путем активации старения клетки^[23]

Транскрипционные факторы необходимые для посадки на промотор

• Транскрипционный фактор REST-ингибирует связывание PRC1 и PRC2 с участками вблизи промотора и, связываясь с субъединицей CBX, способствует независимой от метки Н3К27me3 посадке PRC1 на участки отдаленные от промотора^[24]
• Runx1/CBFβ(runt-related transcription factor 1/Core-binding factor subunit beta)- может взаимодействовать с SUV39H1 и с субъединицей Bmi1 комплекса PRC1.^[25] Runx1 является фактором транскрипции, регулирующим дифференциацию гемопоэтических стволовых клеток в зрелые клетки крови. Белки Runx образуют гетеродимерный комплекс с CBFβ , что увеличивает стабильность его связи с ДНК.

• Транскрипционный фактор YY1 (Yin and Yang 1)^[26] - Транскрипционный фактор YY1 совместно с Id1 подавляет синтез белка p16 предотвращая таким образом клеточное старение.^[27] Он необходим для посадки RYBP-PRC1 на промотор.

Упрощенная схема механизмов эпигенетической регуляции осуществляемых комплексами PRC2 и PRC1

Для того чтобы комплекс PRC2 точно попал на необходимый участок гена-мишени он должен связаться с короткой некодирующей РНК, которая транскрибируется с 5′ конца гена-мишени подлежащего репрессии. Транскрипцию этой РНК осуществляет РНК-полимераза II- S5p с промотора гена активированного меткой H3K4me3. Только после того как PRC2 свяжется с этой РНК с помощью его субьединицы SUZ12, он становится способен метилировать лизин 27 гистона Н3 в составе нуклеосомы, контролирующей ген-мишень. Однако для этого лизин 27 предварительно должен быть деацетилирован комплексом NuRD.^[28] После того как PRC2, с помощью его субьединицы EZH2, осуществляет тройное метилирование гистона Н3 с образованием Н3К27me3, в действие вступает PRC1, который связывается с нуклеосомой либо через «метку репрессии» — Н3К27me3, которую узнает его субъединица CBX, либо через один из транскрипционных факторов (REST, YY1 или Runx1/CBFβ).^[29] Далее PRC1 закрепляет ингибирование гена проводя посадку убиквитина на лизин 119 гистона H2A (H2A K119ub). Тот факт, что установка меток H3K27me3 обычно происходит в промежуток клеточного цикла предшествующий репликации ДНК, позволяет предположить, что модификации гистонов белками Поликомб играют важную роль в сохранении эпигенетической памяти во время деления клетки^[30],^[31], ^[32]

Бивалентные участки хроматина

В последнее время внимание многих исследователей привлекают гены называемые бивалентными, потому что они имеют как маркеры репрессии (H3K27me3), так и маркеры активации (H3K4me3).^[33] Маркер H3K4me3 нужен для транскрипционной активности РНК-полимеразы II – S5p, синтезирующей короткую некодирующую РНК, необходимую при посадке PRC2, тогда как H3K27me3 необходим для связывания CBX белков комплекса PRC1. Бивалентные участки хроматина присутствуют у эмбрионов начиная со стадии 8 клеток вплоть до стадии бластоцисты, при которой клетки подразделяются на две популяции: внутренние клетки, из которых образуются эмбриональные стволовые клетки и поверхностный слой эмбриона (трофобласт). Набор генов клеток поверхностного слоя все еще содержит бивалентные гены, однако на этих участках уже нет PRC1, хотя все еще есть PRC2. Ключевую роль в этих клетках уже выполняет Suv39h1, которая катализирует в бивалентных генах триметилирование лизина 9 в гистоне H3 (H3K9me3).^[34] Метка H3K9me3 препятствует перепрограммированию соматических клеток в индуцированные стволовые клетки , так как мешает посадке белковых репрограммирующих факторов плюрипотенции (Oct4, Sox2, Klf4, и c-Myc ) на гены мишени. Инактивация ферментов, которые вызывают эту метку значительно увеличивает темпы перепрограммирования.^[35] Обнаружено, что два типа маркеров репрессии - модификации H3K9me2 и H3K27me3 - являются взаимоисключающими.^[36] В процессе дифференцировки эмбриональных стволовых клеток бивалентные гены исчезают,^[37] оставаясь только в менее дифференцированных клетках, таких как взрослые стволовые клетки, кроветворные (гемопоэтические) клетки и сателитные (прогениторные) клетки организма. Однако они возникают при пролиферации клеток вследствие регенерации или опухолевого роста.^[38][39][40]

Сокращения: аминокислоту лизин принято обозначать буквой К (последующей цифрой при этом обозначают ее положение в аминокислотной последовательности белка, в данном случае гистона) , аминокислоту серин буквой - S, фосфатную группу — p, ацетатную группу — ac, метильную группу — me (последующей цифрой при этом обозначают число метильных групп), убиквитин — ub).

Примечания

1. ↑ Chiara Lanzuolo and Valerio Orlando (2012) Memories from the Polycomb Group Proteins Annual Review of Genetics Vol. 46: 561-589 DOI: 10.1146/annurev-genet-110711-155603
2. ↑ Portoso M and Cavalli G The Role of RNAi and Noncoding RNAs in Polycomb Mediated Control of Gene Expression and Genomic Programming // RNA and the Regulation of Gene Expression: A Hidden Layer of Complexity. — Caister Academic Press, 2008. — ISBN ISBN 978-1-904455-25-7
3. ↑ Raymond Camahort,Chad A. Cowan (2012)Cbx Proteins Help ESCs Walk the Line between Self-Renewal and Differentiation. Cell Stem Cell, 10(1), 4-6, doi: 10.1016/j.stem.2011.12.011
4. ↑ Lluis Morey, Gloria Pascual, Luca Cozzuto, et al. & Luciano Di Croce.(2012) Nonoverlapping Functions of the Polycomb Group Cbx Family of Proteins in Embryonic Stem Cells. Cell Stem Cell, 10 (1): 47-62 DOI:10.1016/j.stem.2011.12.006
5. ↑ Ana O’Loghlen, Ana M. Muñoz-Cabello, Alexandre Gaspar-Maia, et al and Jesus Gil (2012) MicroRNA Regulation of Cbx7 Mediates a Switch of Polycomb Orthologs during ESC Differentiation. Cell Stem Cell. ; 10(1): 33-46. doi: 10.1016/j.stem.2011.12.004
6. ↑ Park IK, Qian D, Kiel M, et al. Bmi-1 is required for maintenance of adult self-renewing haematopoietic stem cells. Nature 2003; 423:302-305
7. ↑ Molofsky AV, Pardal R, Iwashita T, Park IK, Clarke MF, Morrison SJ. Bmi-1 dependence distinguishes neural stem cell self-renewal from progenitor proliferation. Nature 2003; 425:962-967
8. ↑ Ye Wang, Xinjie Zang, Yao Wang, and Peng Chen (2012) High expression of p16INK4a and low expression of Bmi1 are associated with endothelial cellular senescence in the human cornea. Mol Vis. ; 18: 803–815
9. ↑ Jai-Hee Moon, June Seok Heo, Jun Sung Kim, et al. and Seungkwon You (2011) Reprogramming fibroblasts into induced pluripotent stem cells with Bmi1. Cell Research 21:1305-1315. doi:10.1038/cr.2011.107
10. ↑ Liu J, Cao L, Chen J, Song S, Lee IH, et al. Bmi1 regulates mitochondrial function and the DNA damage response pathway. Nature. 2009;459(7245):387-392. doi:10.1038/nature08040
11. ↑ Zhonghua Gao,Jin Zhang,Roberto Bonasio, et al & ,Danny Reinberg (2012) PCGF Homologs, CBX Proteins, and RYBP Define Functionally Distinct PRC1 Family Complexes. Molecular Cell, 45(3), 344—356, doi: 10.1016/j.molcel.2012.01.002
12. ↑ Jinzhong Qin, Warren A. Whyte, Endre Anderssen et al. &, Hanno Hock (2012)The Polycomb Group Protein L3mbtl2 Assembles an Atypical PRC1-Family Complex that Is Essential in Pluripotent Stem Cells and Early Development Cell Stem Cell, 11(3), 319-332 http://dx.doi.org/10.1016/j.stem.2012.06.002
13. ↑ Nuno Miguel Luis, Lluis Morey, Luciano Di Croce, Salvador Aznar Benitah (2012) Polycomb in Stem Cells: PRC1 Branches Out. Cell Stem Cell, 11(1), 16-21 http://dx.doi.org/10.1016/j.stem.2012.06.005
14. ↑ Nakama, M., Kawakami, K., Kajitani, T., Urano, T. and Murakami, Y. (2012) DNA-RNA hybrid formation mediates RNAi-directed heterochromatin formation. Genes to Cells, 17: 218—233. doi: 10.1111/j.1365-2443.2012.01583.x
15. ↑ Alka Saxena and Piero Carninci (2011) Long non-coding RNA modifies chromatin Epigenetic silencing by long non-coding RNAs Bioessays; 33(11): 830—839. doi: 10.1002/bies.201100084
16. ↑ Margueron R, Reinberg D. (2011) The Polycomb complex PRC2 and its mark in life. Nature.; 469(7330):343-349. doi:10.1038/nature09784
17. ↑ Claudio Ciferri, Gabriel C Lander, Alessio Maiolica, et al. and Eva Nogales (2012) Molecular architecture of human polycomb repressive complex 2. eLife. 2012; 1: e00005. doi http://dx.doi.org/10.7554/eLife.00005
18. ↑ McCabe M.T., Heidi M. Ott, Gopinath Ganji, et al. & Caretha L. Creasy (2012) EZH2 inhibition as a therapeutic strategy for lymphoma with EZH2-activating mutations. Nature, 492, 108–112, doi:10.1038/nature11606
19. ↑ Aditi Kanhere, Keijo Viiri, Carla C. Araújo, et al. (2010) Short RNAs Are Transcribed from Repressed Polycomb Target Genes and Interact with Polycomb Repressive Complex-2. Molecular Cell,; 38 (5): 675—688 DOI: 10.1016/j.molcel.2010.03.019
20. ↑ Zhang Z, Jones A, Sun CW, et al. (2011) PRC2 complexes with JARID2, MTF2, and esPRC2p48 in ES cells to modulate ES cell pluripotency and somatic cell reprogramming. Stem Cells.; 29(2):229-40. doi: 10.1002/stem.578
21. ↑ Reis EM and Verjovski-Almeida S (2012) Perspectives of long non-coding RNAs in cancer diagnostics.Front. Gene. 3:32. doi: 10.3389/fgene.2012.00032
22. ↑ Xue Q.D Wang, Jennifer L Crutchley, and Josée Dostie (2011) Shaping the Genome with Non-Coding RNAs. Curr Genomics.; 12(5): 307—321. doi: 10.2174/138920211796429772
23. ↑ Yap KL, Li S, Munoz-Cabello AM, Raguz S, et al. (2010) Molecular interplay of the non-coding RNA ANRIL and methylated histone H3 lysine 27 by polycomb CBX7 in transcriptional silencing of INK4a. Mol Cell. 38:662-74. doi:10.1016/j.molcel.2010.03.021
24. ↑ Ren X., Kerppola T.K.(2011) REST interacts with Cbx proteins and regulates polycomb repressive complex 1 occupancy at RE1 elements. Mol. Cell. Biol.;31:2100-2110
25. ↑ Ming Yu,Tali Mazor,Hui Huang, et al & Alan B. Cantor (2012) Direct Recruitment of Polycomb Repressive Complex 1 to Chromatin by Core Binding Transcription Factors. Molecular Cell, 45, (3), 330—343. doi: 10.1016/j.molcel.2011.11.032
26. ↑ Arnold J. Berk (2012)Yin and yang of mediator function revealed by human mutants. PNAS , 109(48), 19519-19520 doi:10.1073/pnas.1217267109
27. ↑ Rayess H, Wang MB, Srivatsan ES. (2012) Cellular senescence and tumor suppressor gene p16. Int J Cancer.;130(8):1715-25. doi: 10.1002/ijc.27316
28. ↑ Reynolds N, Salmon-Divon M, Dvinge H et al & Hendrich B. (2011) NuRD-mediated deacetylation of H3K27 facilitates recruitment of Polycomb Repressive Complex 2 to direct gene repression. EMBO J.; 31(3):593-605. doi: 10.1038/emboj.2011.431
29. ↑ Phil Arnold, Anne Schöler, Mikhail Pachkov, et al. and Dirk Schübeler (2012) Modeling of epigenome dynamics identifies transcription factors that mediate Polycomb targeting Genome Res. ,doi:10.1101/gr.142661.112
30. ↑ Lanzuolo C, Lo Sardo F, Diamantini A, Orlando V. (2011) PcG complexes set the stage for epigenetic inheritance of gene silencing in early S phase before replication. PLoS Genet. ;7(11):e1002370 doi: 10.1371/journal.pgen.1002370
31. ↑ Svetlana Petruk, Yurii Sedkov, Danika M. Johnston et al. & Alexander Mazo (2012) TrxG and PcG Proteins but Not Methylated Histones Remain Associated with DNA through Replication . Cell, 150(5), 922-933 http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2012.06.046
32. ↑ Susan M. Abmayr, Jerry L. Workman (2012) Holding on through DNA Replication: Histone Modification or Modifier? Cell, Cell, 150(5), 875-877 http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2012.08.006
33. ↑ Marco De Gobbi,et al and Douglas R Higgs (2011) Generation of bivalent chromatin domains during cell fate decisions. Epigenetics Chromatin; 4: 9. doi: 10.1186/1756-8935-4-9
34. ↑ Olivia Alder, Fabrice Lavial, Anne Helness, et al and Véronique Azuara (2010) Ring1B and Suv39h1 delineate distinct chromatin states at bivalent genes during early mouse lineage commitment. Development; 137(15): 2483–2492. doi: 10.1242/dev.048363
35. ↑ Abdenour Soufi,Greg Donahue,Kenneth S. Zaret (2012) Facilitators and Impediments of the Pluripotency Reprogramming Factors' Initial Engagement with the Genome. Cell, 151(5), 994-1004, doi: 10.1016/j.cell.2012.09.045
36. ↑ Lienert F, Mohn F, Tiwari VK, Baubec T, Roloff TC, et al. (2011) Genomic prevalence of heterochromatic H3K9me2 and transcription do not discriminate pluripotent from terminally differentiated cells. PLoS Genet 7: e100290. doi:10.1371/journal.pgen.1002090
37. ↑ Issam Aldiri, Monica L. Vetter (2012) PRC2 during vertebrate organogenesis: A complex in transition. Developmental Biology, 367(2), 91–99, http://dx.doi.org/10.1016/j.ydbio.2012.04.030
38. ↑ Jon Mallen-St. Clair, Rengin Soydaner-Azeloglu, Kyoung Eun Lee, et al. and Dafna Bar-Sagi (2012) EZH2 couples pancreatic regeneration to neoplastic progression Genes Dev. 26: 439-444; doi:10.1101/gad.181800.111
39. ↑ H Richly, L Aloia, and L Di Croce (2011) Roles of the Polycomb group proteins in stem cells and cancer. Cell Death Dis; 2(9): e204. doi: 10.1038/cddis.2011.84
40. ↑ Yong Zheng, Liu He, Yu Wan, and Jian Song. (2012) H3K9me-Enhanced DNA Hypermethylation of the p16INK4a Gene: An Epigenetic Signature for Spontaneous Transformation of Rat Mesenchymal Stem Cells Stem Cells and Development. doi:10.1089/scd.2012.0172.

См. также

• Эпигенетика
• Гистоны