Бивалентные промоторы

Одна из величайших тайн биологии - как из одной плюрипотентной стволовой клетки образуются множество типов клеток многоклеточного организма, и при этом каждая клетка выполняет свою определенную функцию. Внимание ученых приковано к изучению стволовых клеток и переходу их из состояния плюрипотентности к дифференцированному состоянию, которое, установившись однажды, наследуется в клеточных поколениях. Во многом такое состояние обуславливается хроматином, т.е. комплексом белков и ДНК, которые в конечном итоге, образуют хромосому. Хроматиновые белки способны кодировать и даже изменять состояния генов и принимают непосредственное участие в наследовании этой информации.
Промоторы служат посадочной платформой для белков, которые участвуют в инициации транскрипции. ДНК эукариотических организмов намотана на нуклеосомы, которые представляют собой комплекс белков, состоящий из гистонов H2A, H2B, H3 и H4. На каждую нуклеосому наматывается 147 пар нуклеотидов ДНК.
Нуклеосомы принимают непосредственное участие в компактизации ДНК и также способны участвовать в различных других биологических процессах, таких как транскрипция, репликация и репарация.
Некоторые нуклеосомы способны подвергаться модифицированию различными ферментативными системами. Например, гистон H3 способен нести метильную группу в своей четвертой аминокислоте - лизине. Такая метка обозначается как H3K4me. Метки H3K4me встречаются в нуклеосомах в области промоторов активных генов. В противоположность этому, метка H3K27me встречается только в промоторах неактивных генов. Таким образом, метки на нуклеосомах способны кодировать информацию о том, какие гены должны быть активными в клетках, а какие должны быть выключены.
При изучении эмбриональных плюрипотентных стволовых клеток было обнаружено, что многие промоторы в них несут обе метки одновременно - H3K4me, характерную для активных генов и H3K27me, характерную для активных генов. Промоторы, в которых нуклеосомы несут таки двойные метки были названы бивалентными. В дальнейшем, в процессе развития, такие промоторы переходят в унивалентное состояние и гистоны несут только одну из двух меток, кодируя информацию об активности генов, которые должны работать в определенном типе клеток (см. рис. 1).
Моновалентные промоторы H3K4me в эмбриональных стволовых клетках обычно регулируют гены "домашнего хозяйства", т.е. те гены, продукты которых необходимы во всех типах клеток, например, гены репликации и основных метаболических процессов. Бивалентные промоторы встречаются в генах с регулируемой эксрессией, включая транскрипционные факторы характерные для определенных стадий развития, морфогенеза и специфических мембранных молекул.

promotor_bivalent.pngРис. 1. Схематичное изображение бивалентного промотора и переход его в унивалентное состояние при дифференцировке клеток.