Разлика между еухроматин и хетерохроматин

Има множество форми на хроматини от двата класа - еухроматин и хетерохроматин.

Еухроматинът или "активният" хроматин се състои основно от кодиращи последователности, които съставляват само малка част (по-малко от 4%) от генома на бозайниците. Какви молекулярни сигнали тогава маркират кодиращи последователности с потенциал за продуктивна транскрипция и как структурата на хроматина допринася за този процес? Обширната литература предполага, че еухроматинът съществува в "отворена" (декомпактирана), по-чувствителна към нуклеаза конфигурация, което го прави "готов" за генна експресия, въпреки че не е задължително транскрипционно активен. Някои от тези гени се експресират повсеместно ("домакински" гени); други са регулирани от развитието или индуцирани в отговор на външни стресори. Генната транскрипция включва съвместното действие на избрани m-действащи ДНК нуклеотидни последователности (промотори, енхансери и локусни контролни региони), свързани с комбинации от транс-действащи фактори, заедно с РНК полимераза и свързани фактори (Sims et al., 2004). Взети заедно, тези фактори са били подложени на строг еволюционен подбор, за да се инструментират сложни серии от биохимични реакции, които трябва да се появят в "правилната" пространствена и времева последователност. Предоставя ли хроматинът "система за индексиране", за да гарантира, че описаната по-горе машина има достъп до своите целеви последователности в подходящия тип клетка?

На ниво ДНК, богатите на АТ региони, съседни на промоторите, често са лишени от нуклеозоми и могат да съществуват в твърда, неканоничнаДНК конфигурация (B-форма), улесняваща поставянето на транскрипционен фактор (TF) (Mito et al., 2005; Sekinger et al., 2005). Поставянето на TF обаче не е достатъчно, за да се осигури транскрипция. Набирането на машини за ремоделиране на нуклеозоми чрез индуциране на активиращи хистонови модификации (напр. H3K4 ацетилиране и метилиране) улеснява взаимодействието с транскрипционните механизми; как се случва това в момента се определя (вижте Фигура 3.9 и главата "ХРОМАТИНОВИ МОДИФИКАЦИИ И ТЕХНИЯТ МЕХАНИЗЪМ НА ДЕЙСТВИЕ"). Заместването на изместените хистони с хистонови варианти, след като транскрипционната машина е разкрила и транскрибирала хроматиновия фибрил, гарантира целостта на хроматиновата матрица (Ahmad and Henikoff, 2002). Въпреки това, образуването на напълно зрели иРНК също изисква посттранскрипционни процеси, включително снаждане, полиаденилиране и износ от ядрото.

По този начин, сборният термин "еухроматин" най-вероятно обозначава комплексно състояние(а) на хроматина, обхващащо динамична и сложна смес от механизми [машини], тясно взаимодействащи помежду си и с хроматиновия фибрил, и предназначени да извършват транскрипцията на функционална РНК. Изясняването на „правилата“, управляващи как, в най-общ смисъл, тези „активиращи машини“ взаимодействат с транскрипционната машина, както и с хроматиновата матрица, е вълнуваща област на съвременните изследвания, въпреки че поради динамичния характер на матрицата, тази област, строго погледнато, не може да бъде класифицирана като епигенетика, а по-скоро като изследвания на динамиката на транскрипцията и хроматина.

Тогава какво означава терминът "хетерохроматин"? Въпреки че в историческа ретроспекция той е по-малко проучен от еухроматина, новите открития налагат силасмятат, че хетерохроматинът играе критична роля в организацията и правилното функциониране на геномите, от дрождите до хората (въпреки че S. cerevisiae има специална форма на хетерохроматин). Потенциалното му значение се подчертава от факта, че 96% от генома на бозайниците се състои от некодиращи и повтарящи се последователности. Нови открития относно механизмите на образуване на хетерохроматин разкриха неочаквани неща. Например, транскрипция, която не е специфична за последователността и произвежда двойноверижна РНК (dsRNA), е податлива на заглушаване в механизъм, подобен на РНК интерференция (RNAi). Производството на такива dsRNA действа като "алармен сигнал", отразяващ факта, че съответната ДНК нуклеотидна последователност не може да генерира функционален продукт или е нападната от РНК транспозони или вируси. След това тази dsRNA се обработва от Dicer и се насочва към хроматин с комплекси, предназначени да инициират каскада от събития, водещи до образуването на хетерохроматин. В резултат на използването на редица моделни системи е постигнат забележим напредък в анализа на това, което изглежда е силно запазен метаболитен път, водещ до "заключено" състояние на хетерохроматин. Въпреки че точната последователност и детайлите на събитията могат да варират, този общ път включва деацетилиране на хистонови опашки, метилиране на специфични лизинови остатъци (напр. H3K9), набиране на свързани с хетерохроматин протеини (напр. HP1) и ДНК метилиране (фиг. 3.9). Вероятно секвестирането на отделни геномни региони в репресивни ядрени домени или територии може да подобри образуването на хетерохроматин.

Интересното е, че все повече доказателства сочат товахетерохроматинът може да бъде "състоянието по подразбиране", поне при по-висшите организми, и че присъствието на силен промотор или енхансер, произвеждащ ефективен транскрипт, може да "превъзмогне" хетерохроматина.

Общите концепции за сглобяване на хетерохроматин изглежда се прилагат дори за по-ниски еукариоти. Основните характеристики включват хипоацетилирани хистонови опашки, които са придружени от свързването на чувствителни към ацетилиране хетерохроматинови протеини (напр. SIR протеини). В зависимост от вида на гъбичките (например пъпкуващи срещу изстреляни дрожди) се наблюдават различни количества метилиране на хистони и HP1-подобни протеини. Въпреки че тези геноми са по-настроени към общото, "по подразбиране" състояние на готовност за транскрипция, има някои хетерохроматиноподобни региони на генома (локуси на чифтосване, теломери, центромери и т.н.), които са в състояние да потиснат генната транскрипция и генетичната рекомбинация, когато тестваните гени са в този нов съсед.

Какви полезни функции може да изпълнява хетерохроматинът? Дефиницията на центромер, регион на конститутивен хетерохроматин, корелира добре с някои наследствени епигенетични състояния и се смята, че еволюционно се задвижва от най-голямото групиране на повторения и повтарящи се елементи на хромозома. Това разделяне осигурява големи и относително стабилни хетерохроматинови домени, маркирани с репресивни "епигенетични сигнатури", които улесняват хромозомната сегрегация при митоза и мейоза (вижте "ЕПИГЕНЕТИЧНА РЕГУЛАЦИЯ НА ХРОМОЗОМНОТО НАСЛЕДСТВО"). Тук си струва да се отбележи, че центромерните повторения и съответните епигенетични белези, свързани с тях, са били дублирани и преместени в други хромозомни рамена засъздаване на "безшумни домейни" в организми като дрожди. Конститутивният хетерохроматин в теломерите (защитните краища на хромозомите) по подобен начин осигурява стабилността на генома, действайки като хромозомни "шапки". И накрая, известно е, че образуването на хетерохроматин е защитен механизъм срещу инвазивна ДНК. Взети заедно, тези открития подчертават общото мнение, че хетерохроматинът обслужва важни функции за поддържане на генома, които съперничат дори на тези на самия еухроматин.

В обобщение, широките функционални разлики между еухроматин и хетерохроматин понастоящем могат да бъдат приписани на три известни характеристики на хроматина. Първо, е естеството на ДНК нуклеотидната последователност - например дали тя съдържа богата на АТ "твърда" ДНК в близост до промотори, повтарящи се последователности и/или репресор-свързващи последователности, които сигнализират за асоцииране на фактор. Второ, качеството на РНК, произведена по време на транскрипцията, определя дали тя ще бъде напълно обработена в иРНК, която може да бъде преведена, или дали РНК ще бъде разградена или маркирана за използване от RNAi механизма за хетерохроматинизация. Трето, пространствената организация в ядрото може да играе значителна секвестираща роля в поддържането на локални хроматинови конфигурации.