Белки группы polycomb (, PcG) — это семейство белков, которые способны ремоделировать хроматин. Эти белки-регуляторы были впервые описаны у дрозофил, где они подавляют гомеозисные гены, контролирующие индивидуальные отличия сегментов развивающегося эмбриона.
Белки группы поликомб (PcG) представляют собой семейство эпигенетических регуляторов, которые, модифицируя гистоны, подавляют активность множества генов, отвечающих за клеточную дифференциацию. Садясь на хроматин, чтобы вызвать локальные и глобальные изменения в хромосомной конформации, белки группы polycomb регулируют организацию их генов-мишеней в трёхмерном пространстве ядра. Влияя на 3D-архитектуру генома, они участвуют в регуляции процессов дифференциации клеток и поддержания клеточной памяти. Они так видоизменяют структуру хроматина, что транскрипционные факторы не могут связываться с промоторными последовательностями ДНК.
Классификация В организмах животных (дрозофилы, млекопитающих) и растений выявлено по меньшей мере пять типов комплексов, содержащих белки поликомб: ингибиторный комплекс 1 (polycomb repressive complex 1, PRC1); ингибиторный комплекс 2 (PRC2); ингибиторный комплекс Pho (PhoRC), содержащий ДНК-связывающие белки Pho (Pleiohomeotic) и dSfmbt (Scm-like with four mbt domains), а также, по некоторым данным, гистондеацетилазу Rpd3, шаперон гистонов NAP1, негистоновый белок HP1b, связывающий хроматин и неохарактеризованный белок CG3363; комплекс dRing (Drosophila Ring) связанных факторов (dRAF), который состоит из белков dRing/Sce (Sex combs extra), Psc (Posterior sex combs), и dKdm2 (лизин-деметилаза гистонов дрозофилы) репрессорный комплекс деубиквитиназ (PR-DUB).
PcG млекопитающих У млекопитающих найдены две основные группы, содержащие комплексы белков группы polycomb — это ингибиторные комплексы 1 и 2 (PRC1 и PRC2), гены PRC1 млекопитающих значительно схожи с соответствующими генами дрозофилы. Показано, что экспрессия генов группы polycomb имеет большое значение развитии зародыша; мыши, нокаутные по обеим копиям генов PRC2, погибают на стадии зародыша, в то время как нокауты по генам PRC1 являются гомеозисными мутантами и погибают после рождения. Повышение уровня экспрессии белков группы polycomb повышает инвазивность и коррелирует с более тяжелым развитием раковых опухолей.
Комплекс PRC1
Комплекс PRC1 состоит из нескольких субъединиц: PHC1 и PHC2 (polyhomeotic) — точная функция пока не ясна.
Семейство субъединиц CBX, которые участвуют в механизмах поддержания баланса между самообновлением и дифференцировкой стволовых клеток: (субъединицы CBX2, CBX4 и CBX8 — связываются с гистоном Н3К27me3, ингибируют экспрессию гена CBX7, необходимого для поддержания плюрипотентного состояния клетки и таким образом способствуют дифференцировке клеток, в свою очередь CBX7 ингибирует синтез субъединиц CBX2, CBX4 и CBX8, необходимых для дифференцировки, и таким образом поддерживает плюрипотентное состояние клетки). Белок CBX7 (а через него и весь комплекс PRC1) связывается с гистоном H3K27me3 нуклеосомы с помощью своего хромодомена. Разработаны малые молекулы, содержащие триметиллизин, способные предотвратить образование комплекса CBX7-H3K27me3. Обнаружено что субъединица CBX7 необходима для сохранения мышц и поддержания жизни в организме во время диапаузы. Bmi1 (B lymphoma Mo‑MLV insertion region 1 homolog) — необходима для пролиферации стволовых клеток. Это связано с тем, что она подавляет экспрессию белков p16Ink4a и p19Arf (оба эти белка кодируются альтернативными рамками считывания локуса Ink4a/Arf, известного также как Cdkn2a), препятствующих перепрограммированию в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК). Кроме того Bmi1 может замещать транскрипционные факторы Sox2, Klf4 и c- Myc при перепрограммировании фибробластов в ИПСК. Предполагается, что Bmi1 контролирует работу митохондрий и образование в них реактивных форм кислорода, способных вызвать повреждения ДНК. Количество Bmi1 в клетке регулируется микроРНК-141, которая, подавляет его синтез, связываясь с его мРНК в 3'-нетранслируемой области. В регуляции уровня Bmi1 в клетке участвуют факторы транскрипции семейств Myc , Myb, Twist1, SALL4, E2F1 и GLI1. Поскольку Bmi1 является привлекательной терапевтической мишенью для лечения различных раковых заболеваний человека и перепрограммирования клеток сердечной мышцы, была найдена малая молекула PTC-209 специфически ингибирующая Bmi1. PCGF1 (Polycomb group RING finger protein 1). В PRC1-подобном комплексе PCGF1-PRC1 субъединица PCGF1 необходима для инициации репрессии гена, опосредованной группой Polycomb, во время дифференцировки поскольку регулирует активность убиквитинлигазы RING1B, которая катализирует убиквитинирование Lys119 на гистоне H2A, что необходимо для привлечения PRC2 на CpG-островки. Отсутствие PCGF1-PRC1 приводит к аберрантной экспрессии генов-мишеней. PCGF2 (Polycomb group RING finger protein 2) ортолог Bmi1. Функционально не отличается от Bmi1. PCGF6 был найден в комплексах PRC1, которые имеют H3K9-метилтрансферазу и тех, которые имеют активность H3K4-деметилаз. Pcgf6 необходим для поддержания идентичности эмбриональных стволовых клеток (ЭСК). В отличие от канонической PRC1, комплексы с Pcgf6 действуют как позитивный регулятор транскрипции и связываются преимущественно с промоторами, несущими активные метки хроматина. Уровень синтеза Pcgf6 в ЭСК обычно высок и необходим для того чтобы препятствовать дифференциации, так как Pcgf6 необходим для поддержания синтеза транскипционных факторов Oct-4, Sox2 и Nanog. RYBP или его гомолог YAF2-субъединица альтернативного комплекса RYBP-PRC1, который содержит RYBP, RING1B, и PCGF2/ Bmi1 и не содержит субъединиц CBX, PHC, SCM. Для активации RYBP требуется подавить "созревание" микроРНК-125b, которая ингибирует RYBP. Активация RYBP приводит к RYBP-зависимому убиквитинированию H2AK119 и подавлению генов, необходимых для дифференцировки. Кроме того, RYBP требуется для посадки OCT4 на промотор Kdm2b (ген гистондеметилазы), что необходимо для успешной активации эндогенных генов плюрипотентности при перепрограммировании клеток в ИПСК. RING1 — субъединица комплекса PRC1, которая осуществляет моноубиквитинирование гистона H2A с образованием H2A K119ub. Удаление гена Ring1B приводит к потере сразу нескольких белков PRC1, в том числе RYBP, Cbx4, PCGF2 и Bmi1. SUV39H1 (histone-lysine N-methyltransferase) — этот ядерный белок во время митоза перемещается к центромерам. Он играет важную роль в организации хроматина, разделении хромосом и в механизмах митоза, функционируя как метилтрансфераза, метилирующая лизин-9 гистона H3 с образованием Н3К9me3 — метки репрессии. L3mbtl2 — член атипичного комплекса PRC1. Он имеет важное значение для раннего эмбрионального развития. Способствует пролиферации клеток и подавляет дифференциацию. Взаимодействует с факторами плюрипотентности и аналогом PRC1 содержащим G9A, Hdac1 и Ring1b.
Комплекс PRC1 ингибирует экспрессию генов и переводит хроматин в компактную форму — гетерохроматин. С помощью субъединицы CBX он связывает «метку репрессии» — гистон Н3К27me3 в составе нуклеосомы. Кроме того, с помощью субъединицы Bmi1 комплекс связывает нуклеосомы через комплекс транскрипционных факторов Runx1/CBFβ независимо от метки Н3К27me3. С помощью субъединицы RING1, стимулируемой субъединицей Bmi1 или RYBP, PRC1 осуществляет моноубиквитинирование гистона H2A с образованием H2A K119ub, что приводит к компактизации хроматина. Кроме того с помощью субъединицы CBX7 он способствует связыванию длинных некодирующих РНК (lncRNA) c промоторными областями, что приводит к ингибированию соответствующих генов. CBX7 в этом случае играет роль «кепирующей» шапочки, предотвращающей деградацию lncRNA с последующей «незапланированной» активацией гена.
Комплекс PRC2 Комплекс PRC2 вызывает репрессию транскрипции путём метилирования гистонов и негистоновых белков. Для его посадки на ген-мишень необходима метка активного хроматина Н3К4me3 (в образовании которой важную роль играют белки группы Trithorax) и специальная некодирующая РНК, связывающая субъединицу SUZ12. Существуют две различные формы PRC2, которые помимо сердцевины состоящей из EZH1/2, SUZ12, EED, а также (RBBP4/7), содержат кофакторы, это: PRC2.1 (содержащий один из поликомподобных белков PALI1/2) и PRC2.2 (содержащий AEBP2 и JARID2). Комплекс PRC2 имеет сложную молекулярную архитектуру и состоит из нескольких субъединиц: Ezh1 помогает удерживать PRC2 на хроматине покоящихся клеток, в которых не идет синтез Jarid2. EZH2 (Enhancer of Zester Homolog 2) — метилтрансфераза гистонов и негистоновых белков. Ezh2 обычно присутствует в клетках, которые слабо дифференцированы и активно делятся. EZH2 необходим для восстановления тканей, способствует регенеративной пролиферации прогениторных клеток. Потеря EZH2 приводит к нарушению регенерации, тогда как избыточный синтез метилтрансферазы EZH2 приводит к неопластической трансформации клетки, а мутации в её каталитическом домене приводят к лимфоме. Помочь борьбе с этими заболеваниями может GSK126, которая с высокой избирательностью ингибирует EZH2, конкурируя при этом с S-аденозил-метионином (SAM), в результате чего снижается уровень метилированных H3K27 и активируются гены-мишени, подавляемые PRC2. Гистон H3 имеет несколько изоформ, одна из которых — гистон H3.3 (содержащая в позиции 31 аминокислотной последовательности треонин) присутствует только в тех местах, где гены активны, тогда как изоформа H3.1 (содержащая в позиции 31 аланин) встречается главным образом в частях генома, где нет активных генов. Это объясняется тем, что метилттрансфераза ATXR5 (Arabidopsis Trithorax-related protein 5), метилирующая лизин-27 гистона H3 (H3K27), имеет домен, который, «прочитав» треонин-31 (вместо аланина-31) в гистоне H3, ингибирует метилттрансферазную активность ATXR5. Поэтому изоформа H3.3 не может быть модифицирована меткой H3K27me1. Таким образом, участки генов, содержащих большое количество гистонов H3.3, защищены от гетерохроматизации и подавления активности во время репликации ДНК EED () — субъединица комплекса PRC2, функция которой пока не вполне понятна. Предполагается что она обладает способностью связывать как с белки комплекса PRC2, так и белки комплекса PRC1. Таким образом, EED консолидирует белки комплекса PRC2 и помогает последующей посадке комплекса PRC1 на трижды метилированый локус H3K27 гена-мишени, а также повышает убиквитинлигазную активность PRC1 SUZ12 () — субъединица, связывающая короткие некодирующие РНК длиной 50-200 нуклеотидов, экспрессируемые с 5'-конца генов-мишеней polycomb в первичных T-лимфоцитах и зародышевых стволовых клетках AEBP2 (Adipocyte Enhancer-Binding Protein) - этот белок является RBBP4/7-связывающим кофактором PRC2.2, регулируется промотором, расположенным на ретротранспозоне, который имеет необычный характер метилирования ДНК. Предполагается, что именно благодаря регуляции субъединицей AEBP2 PRC2 предпочтительно связывает метилированную ДНК при подавлении транскрипции на хроматине. Эта субъединица понижает активность метилирования и соответственно уровень гистона H3K27me3 Jarid2 () — деметилаза гистонов, один из ключевых эпигенетических регуляторов процессов развития. Jarid2, также как и Ezh2 обычно присутствует в клетках, которые слабо дифференцированы и активно делятся, функционирует как транскрипционный репрессор генов-мишеней. Предполагается что JARID2 взаимодействует с некодирующими РНК (lncRNA) и комплексом PRC2 и таким образом регулирует связывание PRC2 с хроматином. Синтез Jarid2 значительно повышен в ЭСК по сравнению с дифференцированными клетками. Нокдаун этой субъединицы приводит к активации генов, связанных с дифференцировкой клетки и существенно снижает возможность перепрограммирования фибробластов в ИПСК. Mtf2 () известен также как PCL2 (). Нокдаун гена этой субъединицы приводит к активации генов, связанных с дифференцировкой клетки, и существенно снижает возможность перепрограммирования фибробластов в ИПСК