Метилювання гістонів — це процес посттрансляційної модифікації, який впливає на структуру хроматину та регуляцію експресії генів. Метилювання включає додавання однієї, двох або трьох метильних груп (CH₃) до аміногрупи лізинових або аргінінових залишків на хвостах гістонів. Цей процес здійснюється спеціальними ферментами — гістонметилтрансферазами.
Метилювання гістонів є критично важливим майже для всіх етапів розвитку, а його належна регуляція є необхідною для координованої експресії генетичних мереж, які керують плюрипотентністю, формуванням плану будови тіла (), диференціацією клітин та органогенезом. Сформовані метильні мітки є відносно стабільними епігенетичними модифікаціями, які передаються дочірнім клітинам під час мітотичного поділу (мітотичне епігенетичне успадкування).
Метилювання гістонів відбувається за всіма основними залишками: аргінінами, лізинами та гістидинами. Лізини можуть бути моно- (me1), ди- (me2) або триметильованими (me3) на їхній ε-аміногрупі; аргініни — моно- (me1), симетрично диметильованими (me2s) або асиметрично диметильованими (me2a) на їхній гуанідиновій групі, а гістидини є монометильованими, хоча це метилювання є рідкісним і ще недостатньо охарактеризованим.
Метилювання гістону H3 є найбільш вивченим і містить безліч специфічних сайтів (наприклад, H3K4, H3K9, H3K27, H3K36, H3K79), які слугують сигналом для активації або репресії генів.
Розпізнавання метильованих гістонів
Розпізнавання метильованих гістонових міток здійснюється білками, що містять метилзв'язувальні домени. До них належать , , домени CW та PWWP, , білки королівського суперсімейства (), до якого входять білки з , подвійними хромодоменами, (в тому числі й подвійними/тандемними доменами Тюдора), повторами MBT. Деякі білки, що містять ці домени, зокрема PHF21A, TRIM24 та UHRF1, також розпізнають неметильовані залишки лізину та аргініну на гістонах, і метилювання пригнічує їхню взаємодію з гістонами.
Комбінації модифікацій гістонів ефективно розпізнаються білками з кількома доменами для досягнення конкретних біологічних ефектів. Наприклад, регулятор хроматину TRIM24 має PHD-домен та , які одночасно розпізнають неметильований H3K4 та ацетильований H3K23 на одному й тому ж хвості гістону, що у випадку TRIM24 призводить до естроген-залежної активації генів.
Взаємодія модифікацій гістонів
Мітки метилювання гістонів не утворюються ізольовано. Хоча метилювання може відбуватися на багатьох різних сайтах одного й того ж гістону, деякі гістонові мітки є взаємовиключними. Наприклад, у ссавців і дріжджів диметилювання H3R2 (яке здійснює PRMT6 у ссавців) блокується наявністю мітки H3K4me3, і навпаки — H3R2me2a запобігає метилюванню H3K4. Аналогічно, фосфорилювання H3S10 перешкоджає метилюванню H3K9 in vitro.
Часто відбувається додавання гістонових міток, пов'язаних з активацією транскрипції, та одночасне видалення міток, пов'язаних з її репресією. Наприклад, у ссавців H3K27-деметилаза KDM6A входить до складу метилтрансферазного комплексу H3K4 MLL1, MLL2, MLL3. Імовірно, саме одночасне додавання «активаційної» мітки (H3K4me3) та видалення «інгібіторної» (H3K27me3) забезпечує оптимальну активацію транскрипції. Аналогічно, фактори транскрипції здатні зближувати субодиницю метилтрансферазного комплексу H3K4 RbBp5 та H3K27-деметилазу KDM6B.
Роль у транскрипції
Уявлення про зв'язок між метилюванням гістонів і транскрипцією ґрунтується на кореляціях між рівнем експресії генів та даними загальногеномних чи локус-специфічних ChIP-досліджень. Однак у низці праць науковці почали аналізувати роль гістонових модифікацій безпосередньо на конкретних стадіях транскрипції. Згідно з накопиченими даними, метилювання гістонів залучене до багатьох рівнів транскрипційної регуляції, визначає архітектуру хроматину, регуляцію конкретних локусів шляхом залучення клітиноспецифічних факторів транскрипції та взаємодіє з факторами ініціації й елонгації. Крім того, метилювання гістонів впливає на процесинг РНК.
Функціональне значення міток метилювання
Зазвичай метильовані мітки H3K9, H3K27, H4K20 асоційовані з щільним гетерохроматином і пригніченням транскрипції, тоді як метилювання H3K4, H3K36, H3K79 — з еухроматином та активацією транскрипції.
Розташування залишку метиллізину на хвості гістону та ступінь метилювання (me1, me2 або me3) асоціюються з різним станом експресії генів. Наприклад, H3K4me3 зазвичай асоційована з активною транскрипцією або з генами, готовими до активації, тоді як H3K27me3 асоціюється з репресованим хроматином. H3K4me1 переважно пов'язаний із функціонуванням енхансерів, тоді як H3K4me3 відповідає за активність промоторних ділянок. H3K79me2 відіграє роль у регуляції клітинного циклу, а H3K79me3 залучений до сигнального шляху Wnt. Однак існують випадки, коли метильовані мітки гістонів можуть бути пов'язані з протилежними транскрипційними ефектами. Наприклад, мітки H3K4me2 та H3K4me3, які загалом асоціюються з активацією транскрипції, можуть спричиняти її репресію. Така зміна активності зумовлена залученням різних ефекторних білків: коли H3K4me2 або H3K4me3 зв'язуються з копресорним білком ING2, що містить , це призводить до репресії транскрипції через стабілізацію комплексу гістондеацетилази. Це свідчить про те, що білки-«зчитувачі» (), які розпізнають модифікації гістонів, є важливими компонентами у визначенні кінцевої функції цієї модифікації.
Взаємодія з комплексами ремоделювання хроматину та піонерними факторами
Модифікації гістонів можуть впливати на структуру хроматину вищого порядку безпосередньо або опосередковано — шляхом рекрутування комплексів ремоделювання хроматину. Наприклад, білок BPTF (компонент комплексу ремоделювання хроматину ) містить , який розпізнає H3K4me3; DPF3 (компонент комплексу ) містить подвійний PHD-палець, що взаємодіє з метильованими гістонами, а також зв'язуються з метильованими гістонами. У недоступних (конденсованих) доменах хроматину первинне «відкриття» можуть здійснювати так звані — послідовно-специфічні ДНК-зв'язувальні фактори транскрипції (такі як FOXA1 та GATA4). Зв'язування піонерних факторів із ДНК запускає зміни метилювання ДНК та модифікацій гістонів, які роблять хроматин доступнішим для інших транскрипційних факторів, та РНК-полімерази II.
Взаємодія з транскрипційним апаратом
Певні патерни метилювання гістонів (наприклад, протяжні ділянки хроматину з високою щільністю метилювання H3K4 та H3K79), імовірно, необхідні для зв'язування транскрипційних факторів. Зокрема, показано, що модифікації гістонів сприяють залученню MYC до промоторів у людини. Крім того, PHD-палець білка TAF3 (компонента фактора , необхідного для формування преініціаторного комплексу РНК-полімерази II) специфічно зв'язується з H3K4me3. Це свідчить про безпосередню взаємодію транскрипційного апарату з метильованими гістонами.
З іншого боку, статус фосфорилювання РНК-полімерази II (який визначає її перебування в стадії ініціації чи елонгації) регулює її взаємодію з хроматинмодифікувальними білками. Своєю чергою, ці білки здійснюють метилювання H3K4 чи H3K36 або деметилювання H3K27, що полегшує ініціацію або елонгацію транскрипції. Попри це, досі є незрозумілим, чи рекрутування комплексів ремоделювання хроматину до сайтів транскрипції забезпечує її вищу ефективність, чи є необхідним для початку елонгації.
У дріжджів H3K36me3 може рекрутувати гістондеацетилазу для опосередкованого впливу на транскрипцію.
Роль у сплайсингу РНК
Метилювання гістонів також залучене до регуляції сплайсингу РНК. Середня довжина екзона у багатьох видів еукаріотів відповідає довжині ділянки ДНК, що обгортає одну нуклеосому (близько 147 пар основ), тоді як довжина інтронів суттєво варіює.
Триметилювання H3K4 (H3K4me3) посилює взаємодію U2 з хроматином. У клітинних лініях людини цей процес, імовірно, опосередкований взаємодією U2 snRNP із білками Chd1 та Sgf29, які розпізнають та зв'язують H3K4me3. Крім того, загальногеномні дослідження ChIP-seq у Caenorhabditis elegans, мишей та людини демонструють, що екзони збагачені міткою H3K36me3 порівняно з інтронами. При цьому альтернативно сплайсовані екзони містять менше H3K36me3, ніж конститутивні. Крім того, декілька досліджень показали, що нокдаун гена H3K36-метилтрансферази SETD2 впливає на альтернативний сплайсинг. Цей ефект, імовірно, зумовлений взаємодією білка MRG15 (який зв'язує H3K36me3) із регулятором сплайсингу PTBP1 (поліпіримідин-тракт-зв'язувальним білком 1).
Зв'язок із РНК-інтерференцією
Встановлення та підтримання центромерного гетерохроматину, позначеного метилюванням H3K9, у дріжджів Schizosaccharomyces pombe забезпечується РНК-інтерференцією (РНКі). Подібний зв'язок виявлено також у Arabidopsis thaliana та ссавців, тобто цей епігенетичний механізм є еволюційно консервативним.
У нематод Caenorhabditis elegans нокдаун генів за допомогою (длРНК) запускає посилення метилювання H3K9me3 і призводить до зниження транскрипції цільового гена. Окрім того, апарат РНК-інтерференції нещодавно пов'язали з індукцією H3K27me3 і перебудовою гетерохроматину під час інактивації X-хромосоми у мишей.
Роль в ембріональному розвитку Помилки у встановленні або підтримці належних модифікацій хроматину часто є летальними під час ембріогенезу. Патерни метилювання гістонів чітко пов'язані з найранішою стадією диференціації — формуванням трофектодерми та внутрішньої клітинної маси.
Ранні генетичні скринінги Drosophila melanogaster виявили численні гени, необхідні для розвитку ембріона і щодо багатьох з них пізніше було з'ясовано, що вони регулюють метилювання гістонів. Мутації в цих генах зазвичай призводили до гомеотичних трансформацій (перетворення одного сегмента тіла на інший).
Поєднання декількох міток може змінювати їхній вплив. Так, хоча мітка H3K4me3 асоціюється з активацією транскрипції, а H3K27me3 — з її репресією, за їхнього поєднання вони, схоже, беруть участь у підготовці генів до транскрипції () та утворюють так звані бівалентні домени () або , особливо під час раннього ембріогенезу. Під час подальшої диференціації ці мітки переходять у моновалентні, що забезпечує експресію саме тих генів, які потрібні для кожного конкретного типу тканини.
Медичне значення Онкологічні захворювання Зміни глобального рівня окремих міток метилювання гістонів корелюють із ризиком рецидиву та низькою виживаністю при онкологічних захворюваннях. Тому їх вважають перспективними біомаркерами для діагностики, прогнозу й терапії, а нові генетичні дослідження доводять роль порушення метилювання гістонів у туморогенезі. Зокрема рівень H3K27me3-метилтрансферази підвищений при багатьох видах раку, у тому числі раку передміхурової та молочної залоз, при лімфомах. Важливо, що метилтрансферази та деметилази виявляють у сайтах хромосомних транслокацій, а для низки таких злитих хромосомних білків доведено наявність пухлинотворних властивостей. Такі злиття генів можуть призводити до аберантного внесення чи вилучення метильних міток, або до неналежного залучення інших білків мутантним метилзв'язувальним доменом.
Порушення інтелектуального розвитку
Різноманітні модифікатори гістонів залучені до розвитку синдромів порушення інтелектуального розвитку, що підтверджує важливість належної модифікацій гістонів для формування та функціонування мозку. Наприклад, утворення усіченого варіанта гістонової метилтрансферази NSD1 виявлено у 77% пацієнтів із . Синдром субтеломерної делеції 9q (9qSTDS) спричиняється мутаціями у H3K9-метилтрансферазі EHMT1, і вважається, що саме EHMT1 зумовлює інтелектуальні порушення. Гетерозиготні за геном Ehmt1 миші демонструють аутичноподібні риси, що вказує на еволюційно збережену роль EHMT1 для нервової системи.