Большинство гистонов синтезируются в фазе S для быстрой откладки позади репликационных вилок, чтобы заполнить пробелы, образовавшиеся в результате распределения предсуществовавших гистонов. Кроме того, замещение канонических гистонов S-фазы вариантами, независимо от репликации, потенциально может дифференцировать хроматин.
Дифференцировка хроматина вариантами гистонов особенно заметна в центромерах, где вариант гистона H3, CENP-A, собирается в специализированные нуклеосомы, образующие фундамент для сборки кинетохора (см. левую часть рисунка в начале главы). Центромерный аналог CENP-A, CenH3, обнаруживается у всех эукариот. У растений и животных правильная сборка содержащих CenH3 нуклеосом в центромерах не требует, оказывается, центромерных нуклеотидных последовательностей ДНК, что является замечательным примером эпигенетической наследственности. Некоторые CenH3s развились адаптивно в участках, контактирующих с ДНК, что позволяет предполагать, что центромеры конкурируют друг с другом и что CenH3s и другие специфичные для центромеры белки, связывающиеся с ДНК, адаптировались в ответ на это. Этот процесс мог бы объяснить большие размеры и сложность центромер у растений и животных.
Хроматин может быть дифференцированным и вне центромер путем включения конститутивно экспрессируемой формы гистона H3, называемой H3.3, которая является субстратом для независимой от репликации сборки нуклеосом. Замещение вариантом H3.3 происходит в активных генах (см. правую часть рисунка в начале главы, где зеленым цветом изображен H3.3 на хромосоме плодовой мушки); это динамический процесс с потенциальными эпигенетическими следствиями. Различия между H3 и H3.3 по их наборам ковалентных модификаций могут лежать в основе изменений в свойствах хроматина в активно транскрибируемых локусах.
Несколько вариантов Н2А также могут дифференцировать или регулировать хроматин. Н2А.Х определяется как вариант по 4-аминокислотному карбокситерминальному мотиву, в котором остаток серина является сайтом для фосфорилирования в сайтах двухнитевых разрывов ДНК. Фосфорилирование Н2АХ является ранним событием в репарации двухнитевых разрывов, где, как считают, он концентрирует компоненты репарационной машины. Фосфорилирование Н2АХ также маркирует неактивный бивалент XY во время сперматогенеза млекопитающих и требуется для конденсации, спаривания и фертильности.
H2AZ — это структурно отклоняющийся вариант, который долгое время был загадкой. Исследования на дрожжах позволили считать, что H2AZ устанавливает транскрипционную компетентность и противодейству ет сайленсингу гетерохроматина. Биохимический комплекс, замещающий Н2А вариантом H2AZ в нуклеосомах, является АТФ-зависимым ремоделером нуклеосом, представляя первый пример специфической функции у члена этого многообразного класса ассоциированных с хроматином машин.
Два варианта, специфичных для позвоночных, macroН2А и H2ABbd, проявляют контрастирующие особенности, будучи упакованы в нуклеосомы in vitro: macroH2A препятствует, a H2ABbd облегчает транскрипцию. Эти особенности согласуются с паттернами их локализации на эпигенетически инактивированной Х-хромосоме млекопитающих, где macroH2A много, а Н2АBbd мало.
На основании результатов этих исследований складывается представление, что варианты гистонов и процессы, откладывающие их в нуклеосомы, обеспечивают первичную дифференцировку хроматина, которая может служить основой для эпигенетических процессов.
1. У всех организмов ДНК упаковывается архитектурными белками
Огромная длина двойной спирали ДНК по отношению к размерам содержащей ее органеллы требует плотной упаковки, и для этой цели развились архитектурные белки. Первый уровень упаковки укорачивает двойную спираль и защищает ее от повреждений, но все еще предоставляет ДНК-полимеразе полный доступ к каждой паре оснований в каждом клеточном цикле. Кроме того, эти архитектурные белки облегчают сворачивание более высокого порядка, чтобы еще больше сократить длину хромосомы. Возможно из-за жестких требований к упаковке ДНК почти у всех клеточных форм жизни обнаруживаются лишь два структурных класса архитектурных белков (Malik and Henikoff, 2003). Бактериальная ДНК упакована белками HU, эукариотическая ДНК — гистонами, а ДНК архей упакована либо белками HU, либо гистонами.