В той мере, в какой эпигенетическая наследственность является результатом наследования «состояния» хроматина, процесс сборки нуклеосом RC представляет исключительный интерес. Биохимия этого процесса была выяснена, когда были разработаны системы in vitro, способные собирать нуклеосомы на реплицирующейся ДНК. Эти исследования показали, что трех-субъелиничный комплекс, фактор сборки хроматина I (CAF-I, chromatin assembly factor I) действует как гистоновый шаперон, облегчающий включение H3•Н4 в качестве первого этапа сборки нуклеосом (Loyola and Almouzni, 2004). Было показано, что CAF-1 взаимодействует с фиксатором репликационной процессивности (replication processivity clamp), PCNA, что означает, что репликация ДНК и сборка RC происходят в тесной близости. Работы на почкующихся дрожжах показали, что ни одна из субъединиц комплексов, участвующих в сборке RC in vitro, не является существенной для роста; это позволяет предполагать, что in vivo существуют избыточные механизмы для сборки RC. Тот факт, что большая часть хроматина дрожжей собирается независимым от репликации (RI, replication-independent) образом (Altheim and Schultz, 1999), дает разумное объяснение для этой явной избыточности. Как показано ниже, варианты гистонов, как правило, откладываются путем RI-сборки нуклеосом.
Рис. 13.3. Старые нуклеосомы (темные диски) случайно распределяются позади репликационной вилки, а новые нуклеосомы (светлые диски) откладываются в образующиеся бреши
Опосредованная CAF-1 сборка нуклеосом изображена, с увеличением, на ведущей и отстающей нитях. ДНК-полимераза (зеленый цвет); фиксатор поступательного хода репликации, PCNA (синее кольцо); тетрамеры гистонов H3•Н4 (розовый цвет); вновь синтезированная ДНК (красный цвет)
У почкующихся дрожжей RC-сборка не является полностью избыточной. Интригующим оказалось открытие, что отсутствие большой субъединицы CAF-1 ведет к утрате эпигенетического сайленсинга в теломерах (Loyola and Almouzni, 2004). Эта связь между RC-сборкой и эпигенетическим сайленсингом была распространена и на Arabidopsis, где утрата субъединиц CAF-1 приводит к ряду дефектов, которые можно приписать утере эпигенетической памяти. Хотя механистическая основа этих наблюдений неизвестна, кажется очевидным, что правильная откладка новых нуклеосом позади репликационной вилки важна для поддержания эпигенетически сайленсированного состояния.
Предпосылкой эпигенетической наследственности нуклеосомного состояния является тот факт, что предсуществовавшие нуклеосомы после репликации должны быть распределены по дочерним хроматидам (рис. 13.3). Действительно, так оно и есть: детальные исследования показали, что старые нуклеосомы наследуются дочерними хроматидами интактными и очевидно случайным образом (рис. 13.3) (Annunziato, 2005). Однако этот процесс наследования плохо понят, как и процесс, посредством которого новые гистоны могли бы приобретать эпигенетическую информацию. Популярная модель состоит в том, что новые нуклеосомы модифицируются в результате того, что они находятся вблизи старых нуклеосом (Jenuwein, 2001), однако данные в пользу этого гипотетического процесса отсутствуют, и необходимо рассматривать альтернативные средства воспроизведения эпигенетического состояния (Henikoff and Ahmad, 2005). Каким образом эпигенетическая информация наследуется дочерними клетками, остается главным невыясненным вопросом биологии, и изучение вариантов гистонов и механизмов их откладки может дать ответ на этот вопрос
4. Варианты гистонов откладываются на протяжении всего клеточного цикла
Как мы видели, коровые гистоны можно классифицировать на основе их анцестральной последовательности и положения в нуклеосоме. Линкерные гистоны характеризуются доменом winged helix, а не доменом histone fold, и связываются с линкерной ДНК, разделяющей нуклеосомы (Wolffe, 1992). Хотя существуют минорные варианты этих канонических гистонов, они оказываются взаимозаменимыми с основной формой. Например, Н3.1 и Н3.2 различаются одной аминокислотой, и не известно, чтобы это придавало разные биологические свойства этим двум изоформам. Существование множественных генов, производящих большие количества канонических гистонов для откладки в фазе S, является типичным для эукариотических геномов. Почти повсеместная встречаемость и подавляющее изобилие канонических S-фазных гистонов привело к тому, что до последнего времени вариантам гистонов уделяли относительно мало внимания.