В митотических хромосомах человека и Drosophila субдомены CENP-A сливаются, образуя трехмерную цилиндрическую структуру, в значительной мере исключающую нуклеосомы H3 (Blower et al., 2002). Блоки нуклеосом CENP-A ориентированы на поверхности хромосом, направленной к полюсам, а блоки нуклеосом H3 локализованы по направлению к внутреннему району хроматид. Внутренние и внешние белки кинетохора обернуты вокруг цилиндра CENP-A; это трехмерное расположение согласуется с CENP-A, играющим центральную роль в рекрутировании других кинетохорных белков (Blower et al., 2002). Для того чтобы согласовать двумерное чередование блоков CENP-Аи H3 (рис. 14.66 и 14.76) с разделением в трехмерных митотических хромосомах, предположили, что CEN-ДНК может закручиваться спиралью или выпетливаться в цилиндрической структуре, приводя к выравниванию нуклеосом с одним и тем же составом по одной линии [alignment] или в стопку (рис. 14.7в). Таким образом, раздельно модифицированные перемежающиеся нуклеосомы H3 и фланкирующий гетерохроматин могли бы отвечать за сборку трехмерной структуры CEN-хроматина в митозе (Sullivan and Karpen, 2004). Такое расположение может быть необходимо, чтобы экспонировать хроматин CENP-A внешней стороне хромосомы, где он может рекрутировать кинетохорные белки таким образом, который устанавливает правильную двойную ориентацию сестринских кинетохоров по отношению к полюсам веретена.
3.4. Модели структуры, функции и воспроизведения центромеры
Ключевым вопросом, исследуемым в настоящее время, является вопрос о том, как CENP-A и другие эпигенетические маркеры специфически локализуются и воспроизводятся в центромерах. Другой подход к этому же вопросу заключается в том, чтобы рассмотреть, каким образом CENP-A собирается только в центрмерном хроматине. Одна из привлекательных моделей предполагает, что включение CENP-A специфически в центромеры регулируется дифференциальными сроками и репликации CEN-ДНК, и экспрессии CENP-A по сравнению с основной массой хроматина (Ahmad and Heniloff, 2001). Однако репликация CEN-ДНК у человека и мух происходит на протяжении всей фазы S, одновременно с репликацией основной ДНК (Shelby et al., 2000; Sullivan and Karpen, 2001), а включение CENP-A происходит в отсутствие репликации ДНК (Shelby et al., 2000; Ahmad and Heniloff, 2001). Эти наблюдения исключают механизм строгой привязки ко времени репликации для воспроизведения CENP-A и центромерной идентичности.
Более привлекательный механизм вытекает из интригующего наблюдения, согласно которому CENP-A активно инкорпорируется в нуклеосомы не зависящим от репликации образом с помощью комплекса обмена гистонов (Shelby et al., 2000; Ahmad and Heniloff, 2001). H3.3 является вариантом H3, сборка которого, не зависящая от репликации (Ahmad and Heniloff, 2002), опосредуется комплексом, известным как регулятор гистонов A (HIRA), а не комплексами фактора сборки хроматина (CAF, chromatin assembly factor), ответственными за зависимое от репликации включение канонических нуклеосом H3 (Nakatani et al., 2004). У S. cerevisiae устранение компонентов HIRA приводит к неправильной локализации CENP-A (Sharp et al., 2002). Однако в настоящее время неясно, влияют ли компоненты HIRA на центромерный хроматин у многоклеточных эукариот или у S. pombe, где центромерная идентичность определяется эпигенетически. Более важно, что эти белки играют роль в сборке и структуре хроматина, например путем откладки H3.3; таким образом, широкая активность идентифицированных компонентов HIRA не объясняет специфичности включения CENP-A в центромеры. Возможно, что некая подгруппа комплексов HIRA содержит факторы, взаимодействующие только с CENP-A и распознающие существующие нуклеосомы CENP-A в реплицированном хроматине CEN; однако никаких таких факторов специфичности идентифицировать не удалось. Один из способов согласовать участие неспецифических факторов сборки — это представить себе, что специфичность обеспечивается CENP-A или нуклеосомами CENP-A. Например, определенные структурные взаимоотношения между CENP-A и Н4 могли бы обеспечить специфичность сборки новой CENP-A в центромерах; на эту мысль наводит способность взаимодействующего домена «нацеливать» CENP-A на центромеры (Black et al., 2004). Неясно, однако, достаточны ли эти домены для «нацеливания» центромер в отсутствие эндогенной CENP-A.