تازه های بیوتکنولوژی

تازه های بیوتکنولوژی

جدیدترین دستاوردهای بیوتکنولوژی، نانوبیوتکنولوژی و بیوانفورماتیک
تازه های بیوتکنولوژی

تازه های بیوتکنولوژی

جدیدترین دستاوردهای بیوتکنولوژی، نانوبیوتکنولوژی و بیوانفورماتیک

واریانت های هیستونی و الگوی توارث اپی ژنتیکی (مقاله تخصصی)


مقدمه:

 سلول ها باید مکانیسمی داشته باشند که بتوانند هویت خود را حفظ کنند و به سلول های بعدی انتقال دهند. هویت سلول همان الگوی اپی ژنتیکی است که ناشی از متیلاسیون یا عدم متیلاسیون  DNAو ساختار کلی کروماتین است که در انواع سلول ها متفاوت است. پس از لقاح و در مراحل اولیه جنینی نیز الگوی اپی ژنتیکی قبلی, پاک و از نو طرح ریزی می شود تا تخم و رویان اولیه بتوانند خاصیت پلاستیسیتی و توتی پوتنسی خود را به دست آورند. 

 اگر چه مطالعات بسیاری  به اهمیت متیلاسیون DNA در Reprogramming Epigenetic اشاره دارند اما نمی توان از نقش هیستون ها چشم پوشی کرد[1,2].


کروماتین خود از چندین واحد تکراری به نام نوکلئوزوم تشکیل شده است که هر نوکلئوزوم شامل یک اکتامر هیستونی (2 سری از هر کدام H2A H2B , H3, H4) و 146 جفت باز DNA  به دور این اکتامر است[3]. انتهای N این اکتامر های هیستونی در سطح نوکلئوزوزم در معرض است و می توانند   متحمل انواع تغیرات پس ترجمه ای از قبیل استیلاسیون, متیلاسیون, فسفریلاسیون ویوبی کوئی تیناسیون شوند[4] که این تغیرات منجر به تغیر الگوی بیان ژن می شود. اما این هیستون های متعارف , دارای واریانت هایی نیز هستند( به جز H4) که بیشتر تأکید روی واریانت های H3 است که شامل  H3.2, H3.1و H3.3  هستند.هیستون های H3.1 و H3.2  در طول فاز S بیان می شوند در حالیکه هیستون H3.3 در طول کل چرخه سلولی بیان می شود[5,6] .


بین هیستون های H3.1 و H3.2  تنها یک آمینو اسید متفاوت در موقعیت 96 وجود دارد(Ser-Cys) اما بین هیستون های H3.1  و H3.3  5 اسید آمینه در موقعیت های 31, 87, 89 , 90 و 96 وجود دارد که در آنها اسید آمیته های Ala, Ser,Ser,Ala,Val جایگزین اسید آمینه های Ile,Met,Gly,Cys,Ser شده است[7]. اختلاف ها بین توالی آمینو اسیدی این هیستون ها اگرچه ناچیز است ولی موجب اختلاف در توزیع این هیستون ها به روی کروماتین شده است[5,6,8] .  توزیع هر کدام از این واریانت ها به چاپرون هیستونی خاصی وابسته است, به طوری که چاپرون CAF-1 در نشست واریانت H3.1  درون کروماتین در یک مسیر وابسته به سنتز  DNAنقش دارد ولی چاپرون  HIRA در نشست واریانت  H3.3  درون کروماتین در یک مسیر مستقل از سنتز DNA   نقش دارد[9]. اختلال در این چاپرون ها منجر به تغییراتی درون کروماتین و تکامل جنین اولیه می شود و تغیرات شدیدی در سازمان یابی هتروکروماتین ایجاد می کند [10] . بر این اساس هدف از این مقاله, مطالعه الگوی تغیرات پس ترجمه ای واریانت های H3  و توزیع متفاوت آنها در کروماتین و اثر این تفاوت ها در طرح ریزی اطلاعات جدید اپی ژنتیکی در جنین اولیه موش می باشد.


آکیاما و همکارانش برای اینکه ثابت کنند deposition واریانت های H3.1  و H3.2 در فاز S است و deposition واریانت H3.3 در طول کل چرخه سلولی است, ابتدا وکتورهای بیانی Flag epitop-tagged  هر 3 واریانت را ساختند و این وکتورها را به سلول های 3T3 موش های NIH ترانسفکت کردند و پس از 48 ساعت با رنگ آمیزی ایمونو فلوروسنس کارایی ترانسفکشن را مشخص کردند که برای Flag-H3.1 17٪ و برای Flag-H3.2 19٪ و برای Flag-H3.3 27٪ بود. در مرحله بعد 12-48 ساعت پس از ترانسفکشن در اثر تیمار با aphidicolin که یک مهار کننده سنتز DNA است کارایی ترانسفکشن  برای H3.1  Flag-به 3٪ و برای Flag-H3.2  به 5٪ کاهش یافته بود ولی برای H.3.3 برابر با 22٪  بود که نشان می داد H3.1 وH3.2 در فازS  و H3.3 در کل چرخه سلولی وارد کروماتین می گردند . آنها برای مطالعات داینامیک واریانت های H3 در طول اووژنز , mRNA  کد کننده واریانت های H3 را به سیتوپلاسم اووسیت های در حال رشد که تجربه سنتز DNA نداشتند , تزریق کردنند که یک سیگنال قوی از Flag-H3.3 در کل هسته دریافت کردند ولی از دو واریانت دیگر هیچ سیگنالی دریافت نکردند که نشان می داد که ورود H3.3  به درون کروماتین در طول اووژنز رخ می دهد.در اووسیت های بالغ سیگنال  قویFlag-H3.3 در مناطق یوکروماتینی دریافت شد ولی در نواحی هتروکروماتینی پری سنترومرها سیگنالی دریافت نشد که این بدان معنی است که H3.3 در مناطق فعال از نظر رونویسی قرار می گیرد. آنها برای بررسی اینکه H3.3 از اووسیت به زیگوت منتقل می شود, Flag-H3.3 mRNA را به سیتوپلاسم اووسیت تزربق کردند و مشاهده کردند که Flag-H3.3 به درون pronucleus پدری لود شد و سیگنال Flag-H3.3 درون pronucleus مادری به طور قابل توجهی کاهش یافت.


اما یک مشاهده دقیق تر نشان داد که Flag-H3.3 هنگام تشکیل pronucleus  مادری وارد اجسام قطبی می گردد. همچنین فقدان H3.3 در اووسیت هایی که توسط بکرزایی یا به طور parthenogenetically فعال شده بودند نشان داد که ژنوم پدری هیچ نقشی در ناپدید شدن H3.3 از ژنوم مادری پس از لقاح ندارد. بررسی ها نشان داد که H3.3 از طریق تشکیل دیمر یا تترامر با H4 برداشته می شود که این نتیجه از طریق تزریق  Flag-H4 mRNAبه درون اووسیت و مانیتورینگ آن پس از لقاح بدست آمد.آنها همچنین با بررسی  deposition هیستون Flag-H3.3 پس از فاز M رویان تک سلولی یعنی فاز G1 رویان دو سلولی مشاهده کردند که Flag-H3.3  قرار گرفته در کروموزوم های میتوتیک مرحله تک سلولی در هسته های رویان های دو سلولی باقی مانده است که نشان می دهد که فقدان H3.3 از ژنوم زیگوت پس از تکمیل دومین میوز اتفاق می افتد. همچنین بررسی های آنان برای تعیین اینکه کدام یک از دیگر واریانت های  H3 جایگزین H3.3  برداشت شده از ژنوم مادری پس از لقاح می شود نشان دادکه زمانی که H3.3  برداشت می شود هیچ جابجایی رخ نمی دهد و نواحی ژنومیک خالی شده از H3.3  برای مدتی پس از لقاح بدون نوکلئوزوم باقی می مانند. آنها mRNA های کد کننده واریانت های Flag-H3  را به اووسیت هایی که در فاز متافاز II بودنند تزریق کردند وسپس این اووسیت ها در in vitro لقاح کردند وتا مرحله رویان های تک سلولی و دو سلولی رسیدند. نتایج نشان می داد که Flag-H3.2 وFlag-H3.3 در پیش هسته های رویان تک سلولی و هسته های رویان دو سلولی تجمع یافته بودند ولی سیگنال Flag-H3.1 در این دوره بسیار ضعیف بود که بدان معنی است که incorporation هیستون H3.1 نسبت به H3.2 در رویان های اولیه از کارایی کمتری برخوردار است و یا mRNA یا پروتئین H3.1 توسط مکانیسم خاصی تخریب می شود.آنها سطح پروتئین Flag-H3.1 را به وسیله ایمونوبلاتینگ بررسی کردند که مقدار آن 37٪  کمتر از H3.2  بود که نشان می داد که Flag-H3.1 در مراحل اولیه جنینی بیان می شود اما incorporation آن در کروماتین محدود می شود.احتمالادلیل کم بودن نسبی H3.1 تخریب پروتئین هایی است که درون کروماتین بسته بندی نمی شوند[11].


آنها محدودیت incorporation هیستون H3.1 را با استفاده از mRNA  کدکننده EGFP-H3.1/H3.2 ثابت کردند که به صورت کارآمدی ترجمه می شود.سیگنال  دریافت شده ازکروماتین رویان های تک سلولی برای EGFP-H3.2 قوی بود ولی برای EGFP-H3.1 ضعیف بود که موید این مطلب است.آنها برای تعین اینکه آیا محدودیت H3.1 در قرارگیری در کروماتین تا مرحله بلاستوسیست طول می کشد یا نه mRNA  کد کننده Flag-H3 ها را به درون بلاستومرها تزریق کردند ونتیجه ای که آنها گرفتند این بود که H3.2  و H3.3 از مرحله تک سلولی تا مرحله بلاستوسیست در هسته تجمع می یابند ولی H3.1  از مرحله دو سلولی به بعد با کارایی خوبی در هسته incorporate می شود. کروماتین بر اساس الگوی رنگ پذیری, به نواحی هتروکروماتینی(به شدت رنگ پذیر) و یو کروماتینی (کمتر رنگ پذیر)تقسیم می شود[12,13] .معمولا H3.1  در مناطق هتروکروماتینی و H3.3  در مناطق یوکروماتینی دیده می شود[14].در طول preimplantation development کروماتین دچار سازمان یابی داینامیک می شود, بدین معنی که در رویان تک سلولی و دو سلولی کروماتین بازتر است و هتروکروماتین به نواحی پری فرال هسته محدود می شود و زمانی که رویان به مرحله بلاستوسیست می رسد, چندین ناحیه هتروکروماتینی کاملا مشخص قابل تشخیص است.نتایج مقایسه deposition واریانت های H3 در رویان های دو سلولی و بلاستوسیست به قرار زیر است. Flag-H3.1  در هسته رویان دو سلولی تجمع نمی یابد ولی در بلاستوسیست در هر دو ناحیه یوکروماتینی و هتروکروماتینی به شدت تجمع می یابد. Flag-H3.2 در رویان دو سلولی و بلاستوسیست در هر دو ناحیه یوکروماتینی و هتروکروماتینی لوکالیزه می شود.در رویان دو سلولی Flag-H3.3 در سراسر کروماتین حتی نواحی هتروکروماتینی پری نوکلئار لوکالیزه می شد اما دربلاستوسیست تقریبا فقط در نواحی یوکروماتینی لوکالیزه می شود.در مرحله رویان چهار سلولی هر سه واریانت به طور یکنواخت در هر دو ناحیه هتروکروماتینی و یوکروماتینی توزیع می شوند(اطلاعات نشان داده نشده) که می توان چنین برداشت کرد که مرحله چهار سلولی یک حالت گذار برای reorganization کروماتین است.همانطور که گفته شد H3.3  در مراحل اولیه رویانی قبل از لانه گزینی در کل کروماتین حتی هتروکروماتین لوکالیزه می شد, در حالی که از H3.1  انتظار می رفت که در ناحیه هتروکروماتینی قرار بگیرد وفقط در مرحله بلاستوسیست H3.1 در هتروکروماتین و H3.3 در یوکروماتین قرار می گیرد.


آنها از این مشاهدات نتیجه گرفتند که رویان در مرحله دو سلولی مکانیسمی را برای محدود کردن incorporation هیستون H3.1 یا تحریک incorporation هیستون H3.3  در نواحی هتروکروماتینی را تجربه می کند. CAF-1 چاپرونی است که دارای سه زیرواحد به نام های p60, p48  و p150 می باشد.زمانی که در طول preimplantation development  مانع از بیان زیرواحد p150 شویم incorporation هیستون H3.1 دچار محدودیت می شود و تشکیل هتروکروماتین با مشکل روبه رو می شود. در این رویان ها H3.2 نیز با محدودیت incorporation مواجه می شود که نشان می دهد که CAF-1 , چاپرون H3.2 نیز می باشد.در رویان هایی که این چاپرون دچار مشکل شده است, incorporation هیستون H3.3 به طور قابل توجهی افزایش می یابد و بیشتر تمایل دارد در مناطق متراکم DNA قرار بگیرد. در حالی که H3.3 در رویان های کنترل ترجیحا در مناطق باز DNA قرار می گیرد.این نتایج نشان می دهد که incorporation هیستون های H3.1  و H3.2  به وسیله زیرواحد p150 از چاپرون CAF-1با H3.3  رقابت می کند و به طور غیرمستقیمی توزیع هتروکروماتین در طول preimplantation development  را تنظیم می کند.


 سطح H3K9me2 در طول همانندسازی DNA و در مراحل رویان های تک سلولی و دو سلولی کاهش می یابد ولی از مرحله چهار سلولی به بعد افزایش می یابد[15]  زیرا incorporation هیستون H3.1  در مرحله چهار سلولی رخ می دهد و این نوع مدیفیکاسیون در جاهای غنی ازH3.1  دیده می شود.آنها برای تائید این مطلب سطح H3K9me2  رویان هایی که زیرواحد p150 چاپرون CAF-1 بیان نمی کردنند را با رویان های کنترل مقایسه کردند ومشاهده کردند که سطح H3K9me2 در این رویان ها از مرحله چهار سلولی تا مرحله مورولا, نسبت به رویان های کنترل به طور قابل توجهی کمتر است.ولی  در مقابل, سطح H3K9ac , که جزء مدیفیکاسیو های H3.3 است, در این رویان ها نسبت به رویان های کنترل افزایش یافته است. زیرا در این رویان ها incorporation هیستون H3.3  بیشتر است. این اطلاعات نشان می دهد که بین توزیع هیستون ها و مدیفیکاسیون آنها ارتباط وجود دارد وجابجایی هیستون ها در remodeling مدیفیکاسیون های اپی ژنتیک در طول preimplantation development  شرکت می کند.


 بحث:

همانطور که مشاهده شد, بین الگوهای incorporation هر سه نوع واریانت H3 درون ژنوم , بعد از لقاح تفاوت وجود دارد و مدارکی دال بر اینکه deposition  واریانت های H3  در کروماتین یک عمل فعل انفعالی است و توزیع مناسب این واریانت ها در ژنوم برای reorganization  کروماتین قبل از لانه گزینی رویان اساسی است, نیز وجو دارد.آنها در این مطالعه نشان دادند که H3.3  به طور موقت در فاز G1 زیگوت ناپدید می شود که نشان می دهد که اطلاعات اپی ژنتیکی توسط H3.3 در اووسیت های در حال رشد کد می شود و توسط همین هیستون بعد از لقاح پاک می شود.بنابراین reprogramming  ژنوم با پاک سازی حافظه سلول به وسیله حذف H3.3 , به منظور نوآرایی توزیع H3.3  در ژنوم مادری و ایجاد خاصیت توتی پوتنسی در رویان همراه است. آنها نشان دادند که H4  با وجود اینکه یک پارتنر اتصالی همه واریانت های H3  است, درون ژنوم پدری قرار می گیرد وقبل از فاز S درون ژنوم مادری incorporate  نمی شود.بنابراین نواحی ژنومی که H3.3  از آنها برداشت شده , پس از لقاح به صورت موقت خالی از نوکئلوزوم بافی می مانند. با توجه به این که incorporation هیستون H3.3 که مسقل از سنتز DNA است مارکری برای turnover  نوکلئوزوم است و این turnover در نواحی تنظیم کننده ژن سریع است, احتمالا در حفظ اطلاعات اپی ژنتیکی نقش دارد[16] پس از لقاح, H3.3 که درون ژنوم اوسیتincorporate شده بود, از سراسر ژنوم برداشته می شود و هیچ یک از واریانت های H3 در ژنوم incorporate نمی شوند که بیانگر عدم turnover در این دوره است. H3.3 در اووسیت بالغ در مناطق یوکروماتینی قرار می گیرد, اگرچه transcription  در این اووسیت ها رخ نمی دهد.این نتایج با یافته هایی که نشان می دهد جابجایی H3.3 در نواحی تنظیمی به طور مداوم انجام می گیرد سازگار است, بدون در توجه به این که آن ژن فعال است یا نه.[17] با رسیدن رویان به مرحله بلاستوسیست, چندین ناحیه هتروکروماتینی مشخص در کروماتین به وجود می آید, که تغییر در deposition هیستون های H3.1 و H3.3  قبل از لانه گزینی در این فرآیند نقش دارند.در مراحل اولیه رویان H3.3 در هتروکروماتین پری سنترومیک در نواحی پری فرال هسته لوکالیزه می شود که رویان های اولیه رونوشت هایی از major satellite ها را روی پری سنترومرها بیان می کنند که در تشکیل هتروکروماتین نقش اساسی  دارند[18] .به نظر می رسد که قرارگیری H3.1در ژنوم از مرحله چهار سلولی به بعد , مسئول تشکیل یا حفظ هتروکروماتین در رویان است, در حالی که H3.3  به طور همزمان در دیگر مناطق هتروکروماتینی قرار می گیرد و نواحی یوکروماتینی را تشکیل می دهد.برهمکنش واریانت های H3 با یکدیگر, مثل جلوگیری از incorporation هیستون های H3.1  و H3.2 موجب افزایش  incorporation هیستون H3.3 و توزیع غیر نرمال آن در مرحله انتهایی قبل از لانه گزینی می شود. مطالعات اخیر نشان داده که لوکالیزاسیون H3.3  به صورت مستقل از چاپرون HIRA  در نواحی هتروکروماتینی مثل پری سنترومر و تلومرنیازمند ATRX  و DAXX می باشد[19,20,21] .در عدم حضور DAXX چاپرون CAF-1 می تواند H3.3 را به درون کروماتین فرا بخواند, اما الگوی deposition آن تغیر می کند[21] , که نشان می دهد که چاپرون های هیستونی متفاوت , الگوی deposition واریانت های هیستونی را متأثر می سازد.


نشان داده شده است که الگوی deposition  هسته ای H3.1 و  H3.2 در مراحل اولیه قبل از لانه گزینی با هم تفاوت دارند به طوری که H3.1  با کارایی کمتری در ژنوم incorporate می شود و H3.1 ممکن است در کاهش خاصیت توتی پوتنسی و پلاستیسیتی کروماتین قبل از لانه گزینی نقش داشته باشد که نتایج آقای Hake  و همکارانش نشان دهنده ی این مطلب بود.آنها نشان داده بودنند که H3.1 در مقایسه با سایر هیستون ها , در سلول های بافتی بزرگسالان فراوان تر است ولی در سلول های رویانی دارای فراوانی کمتری است[22] .آنها همچنین نشان دادند که cys شماره 96 هیستون H3.1 در ایجاد باند دی سولفیدی بین نوکلئوزوم ها نقش دارد که منجر به فشردگی کروماتین و تشکیل هتروکروماتین می گردد[14].روی هم رفته این داده ها منجر به این شد که آنها نتیجه بگیرند که وقتی که سلولها می خواهند تغییرات وسیعی در الگوهای بیان ژن بدهند مثلا, reprogramming در طول گامتوژنز, تغییرات شدیدی در انواع مدیفیکاسیون های  هیستون ها اتفاق می افتد که ممکن است از طریق جابجایی هیستون ها و یا تغییر فعالیت آنزیم های هیستون مدیفیکاسیون صورت بپذیرد.



  References


1.   Morgan HD, Santos F, Green K, Dean W, Reik W (2005) Epigenetic reprogramming in mammals. Hum   Mol Genet 14: R47–R58   2.   Li E (2002) Chromatin modification and epigenetic reprogramming in mammalian development. Nat Rev Genet 3: 662–673.   3.   Luger K, Mader A.W, Richmond R.K, Sargent D.F and Richmond, T.J (1997) Crystal structure of the nucleosome core particle 2.8A° resolution. Nature 389: 251–260. 4.   Spotswood H.T, and Turner B.M (2002) An increasingly complex code. J. Clin. Invest. 110: 577–582  5.  Ahmad K, Henikoff S (2002) The histone variant H3.3 marks active chromatin by replication-independent nucleosome assembly. Mol Cell 9: 1191–1200    6.  Tagami H, Ray-Gallet D, Almouzni G, Nakatani Y (2004) Histone H3.1 and H3.3 complexes mediate nucleosome assembly pathways dependent or independent of DNA synthesis. Cell 116: 51–61 7.   Franklin SG, Zweidler A (1977) Non-allelic variants of histones 2a, 2b and 3 in mammals. Nature 266:273-5.   8.   Ahmad K, Henikoff S (2002)  Histone H3 variants specify modes of chromatin assembly. Proc Natl Acad Sci USA 99:16477-84.   9.  Henikoff S, Ahmad K (2005) Assembly of variant histones into chromatin. Annu Rev Cell Dev Biol 21: 133–153 10.   Houlard M, Berlivet S, Probst AV, Quivy JP, Hery P, et al. (2006) CAF-1 is essential for heterochromatin organization in pluripotent embryonic cells. PLoS Genet 2: e181. doi:10.1371/journal.pgen.0020181.   11.  Gunjan A, Verreault A (2003) A Rad53 kinase-dependent surveillance mechanism that regulates histone protein levels in S. cerevisiae. Cell 115:537–549   12.  Cerda MC, Berrios S, Fernandez-Donoso R, Garagna S, Redi C (1999) Organisation of complex nuclear domains in somatic mouse cells. Biol Cell 91:55–65   13.  Quivy JP, Gerard A, Cook AJ, Roche D, Almouzni G (2008) The HP1-p150/ CAF-1 interaction is required for pericentric heterochromatin replication and Sphase progression in mouse cells. Nat Struct Mol Biol 15: 972–979   14.  Hake SB, Allis CD (2006) Histone H3 variants and their potential role in indexing mammalian genomes: the ‘‘H3 barcode hypothesis’’. Proc Natl Acad Sci USA 103: 6428–6435   15.  Liu H, Kim JM, Aoki F (2004) Regulation of histone H3 lysine 9 methylation in oocytes and early pre-implantation embryos. Development 131: 2269–2280.   16.  Deal RB, Henikoff JG, Henikoff S (2010) Genome-wide kinetics of nucleosome turnover determined by metabolic labeling of histones. Science 328: 1161–1164   17.  Jin C, Felsenfeld G (2006) Distribution of histone H3.3 in hematopoietic cell lineages. Proc Natl Acad Sci USA 103: 574–579.   18.  Probst AV, Okamoto I, Casanova M, El Marjou F, Le Baccon P, et al. (2010) A strand-specific burst in transcription of pericentric satellites is required for chromocenter formation and early mouse development. Dev Cell 19: 625–638   19.  Goldberg AD, Banaszynski LA, Noh KM, Lewis PW, Elsaesser SJ, et al. (2010) Distinct factors control histone variant H3.3 localization at specific genomic regions. Cell 140: 678–691.   20.  Lewis PW, Elsaesser SJ, Noh KM, Stadler SC, Allis CD (2010) Daxx is an H3.3- specific histone chaperone and cooperates with ATRX in replicationindependent chromatin assembly at telomeres. Proc Natl Acad Sci USA 107:14075–14080   21.  Drane P, Ouararhni K, Depaux A, Shuaib M, Hamiche A (2010) The deathassociated protein DAXX is a novel histone chaperone involved in the replication-independent deposition of H3.3. Genes Dev 24: 1253–1265.   22.  Hake SB, Garcia BA, Duncan EM, Kauer M, Dellaire G, et al. (2006)

نظرات 1 + ارسال نظر
کافه عروس چهارشنبه 23 مهر 1393 ساعت 12:05 http://cafearoos.com

ممنون خوب بود

برای نمایش آواتار خود در این وبلاگ در سایت Gravatar.com ثبت نام کنید. (راهنما)
ایمیل شما بعد از ثبت نمایش داده نخواهد شد