В начале прошлого века цитологи обратили внимание на то, что внутреннее содержимое ядра окрашивается красителями неравномерно. При этом тот материал, который интенсивно окрашивался, оказывался плотным и компактным. Это было заметно, поскольку при конденсации митотических хромосом объем окрашенного материала не изменялся, в отличие от остального материала хромосом. В 1920-е годы немецкий цитолог Эмиль Хайц предложил термин "эухроматин" для участков хромосом, претерпевающих процесс компактизации и декомпактизации регулярно в процессе митоза, и термин "гетерохроматин" для обозначения участков, которые постоянно остаются в конденсированном состоянии. Эта изначально цитологическая идея о разделении хроматина на два класса (гетерохроматин и эухроматин) оказалась очень удобной в последующие годы и оказала большое влияние на развитие генетики. В 1930-е годы основоположник генетики Меллер обнаружил, что перемещение гена в область хромосомы вблизи гетерохроматина приводит к инактивации гена. Он исследовал эффект воздействия рентгеновского излучения на фенотип дрозофилы и обнаружил, что если такая инверсия приводила к перемещению гена под названием White к центромерному району X-хромосомы, то дрозофила приобретала такой интересный мозаичный фенотип. Изначально ген White определяет красную окраску глаз. Однако в результате инверсии ген White попадает под воздействие гетерохроматина, и лишь часть фасеток в глазу может экспрессировать этот ген. И в результате получается вот такой мозаичный фенотип. Увиденный эффект получил название "мозаичный эффект положения". И он позволил установить, что гетерохроматин ассоциирован с неактивным состоянием генов. В самом деле, когда ген White попадает под влияние гетерохроматина, он может инактивироваться, и такие фасетки становятся белыми. Если ген не инактивируется, то фасетки остаются красными. Итак, плотная упаковка гетерохроматина, как правило, приводит к транскрипционно неактивному состоянию генов. Исследователи выделяют несколько типов гетерохроматина. Конститутивный гетерохроматин представляет из себя области генома, которые поддерживаются в конденсированном состоянии во всех типах клеток организма на протяжении всего клеточного цикла. Гетерохроматин обнаруживается в прецентромерных областях и теломерных областях хромосом. По мере развития многоклеточного организма некоторым клеткам становится необходимо отключить определенные гены. Для этого они формируют гетерохроматин, который уже специфичен для определенного типа клеток. Такой гетерохроматин называется факультативным. На микрофотографиях распределение гетерохроматина и эухроматина крайне неравномерное. Можно видеть, что на этой электронной микрофотографии гетерохроматин расположен преимущественно на периферии ядра. Таким образом, ядерная оболочка связана с репрессией генов с помощью гетерохроматина. Ученые обнаружили несколько ключевых различий между гетерохроматином и эухроматином. Помимо высокой компактности, гетерохроматин обнаруживается в центромерах и теломерах. И это важно для поддержания структуры и функций хромосом. Показано, что утрата гетерохроматина в центромерных областях приводит к нарушению расхождения хромосом в митозе. Гетерохроматин в теломерных областях необходим для защиты теломерных концов от воздействия экзонуклеаз. Гетерохроматин теломерный позволяет клеткам отличать двуцепочечные разрывы, которые возникли в результате повреждения ДНК, от естественных двуцепочечных разрывов на концах хромосомы. Еще одно ключевое отличие гетерохроматина от эухроматина — это низкое содержание генов. Важное отличие гетерохроматина от эухроматина заключается в том, что гетерохроматин реплицируется в S-фазе в самую последнюю очередь. Кроме этого, гетерохроматин защищен от кроссинговера во время мейоза. Эффект положения оказался замечательной модельной системой для изучения компонентов гетерохроматина. Суть экспериментов заключалась в том, чтобы поместить репортерный ген в область хромосомы, которая затрагивалась конститутивным гетерохроматином, при этом выделив мутации, которые влияют на мозаичный эффект. В частности, мутации, получившие название SU(VAR), супрессоры мозаицизма, увеличивают долю клеток, которые экспрессируют репортерный ген. А мутации E(var), то есть энхансеры мозаицизма, заставляют меньше клеток экспрессировать репортерный ген по сравнению с исходным мозаичным фенотипом. Таким образом, были идентифицированы ключевые компоненты гетерохроматина. Наиболее важные — это белки под названием HP1, гетерохроматиновые белки номер один. Эти белки считаются ключевыми участниками в формировании гетерохроматина и необходимыми для конденсации хроматина. Эти белки привлекаются к своим мишеням благодаря метилированию гистонов, а именно триметилированию H3K9, которое устанавливается метилтрансферазами под названием SU(VAR)3-9. Перечисленные эпигенетические детерминанты крайне консервативны и обнаружены во всех без исключения модельных организмах. Разделение хроматина на две категории (эухроматин и гетерохроматин) играло важное значение на начальных этапах развития генетики и эпигенетики. В настоящее время понятно, что такая дихотомия не позволяет объяснить все множество фактов, известных в настоящее время. В частности, факультативный гетерохроматин по строению значительно отличается от конститутивного гетерохроматина. Формирование гетерохроматина происходит без участия белков HP1, а при участии других репрессоров, а именно белков семейства Polycomb. Мы более подробно изучим это в лекции, посвященной дозовой компенсации у млекопитающих во втором модуле. Кроме того, в эухроматине обнаружены гены, которые не экспрессируются вовсе, равно как в гетерохроматине обнаружены гены, которые экспрессируются на очень высоком уровне. Чтобы обойти это противоречие, исследователи более детально изучили состав хроматина на всем протяжении хромосом. Исследователи использовали большое количество хроматиновых карт, на которых обозначено расположение эпигенетических детерминант на хромосомах, которые были получены в результате многих лет исследований. И с помощью методов машинного обучения разделили хроматин на несколько категорий. При этом количество категорий может значительно отличаться в зависимости от того, какой метод машинного анализа был использован. Для обозначения категории исследователи используют не термины, такие как эухроматин и гетерохроматин, а цвета, например, красный, синий, желтый, зеленый или черный. Такое разделение позволяет более точно объяснить некоторые известные явления. Например, каким образом клетки различают гены домашнего хозяйства и гены, которые будут экспрессироваться специфично в определенном клеточном типе. В следующей лекции мы рассмотрим, каким образом клеткам удается упаковать два метра ДНК и еще связанные с ней белки и РНК в очень маленькое ядро.