Асимметрия наследования гистонов нарушает дифференцировку стволовых клеток

Модифицированные родительские гистоны в процессе репликации симметрично распределяются по дочерним нитям ДНК и могут наследоваться при митозе. Пока оставалось неизвестно, как именно это способствует наследованию эпигенетической информации, однако авторы недавней статьи в Nature Genetics показали, что передача гистонового кода во время репликации ДНК поддерживает целостность эпигенома и пластичность эмбриональных стволовых клеток.

В ходе репликации ДНК происходит разборка хроматина на родительской молекуле, и нуклеосомы собираются на дочерних нитях из модифицированных родительских гистонов и новых, лишенных модификаций. Родительские гистоны H3-H4 симметрично распределяются со своими метками на две дочерние нити ДНК. Этот процесс требует участия белков MCM и ДНК-полимеразы ε. После репликации новые гистоны модифицируются, и исходный паттерн эпигенетических меток восстанавливается. Уровни H3K4me3 (метка активной транскрипции) быстро восстанавливаются до исходных, тогда как восстановление репрессивных меток H3K27me3 и H3K9me3 происходит медленно и продолжается после митоза в дочерних клетках.

Ученые провели эксперименты на эмбриональных стволовых клетках мыши, несущих две мутации в MCM2 (линия MCM-2A). В этой линии было нарушено распределение гистонов по дочерним цепям — все они оставались только одной из двух дочерних цепей. При этом сам процесс репликации протекал нормально. Оказалось, что в таких клетках перераспределялись эпигенетические метки: в них существенно возрастал уровень H3K27me3 — метки, которая служит для подавления экспрессии генов. Суммарный уровень посттрансляционных модификаций (ацетилирования и метилирования) гистонов при этом менялся слабо.

Асимметричная сегрегация родительских гистонов H3-H4 в эмбриональных стволовых клетках MCM2-2A и то, как она может повлиять на наследование эпигенетической памяти и функционирование дочерних клеток.
Credit:
Nature Genetics (2023). DOI: 10.1038/s41588-023-01476-x | CC BY

Более детальное изучение показало, что в клетках MCM-2A не только возрастал уровень H3K27me3, но и происходило перераспределение этой метки. Она «переходила» из областей, где в норме присутствует на высоком и среднем уровне, в области низкого триметилирования H3K27. Этот эффект был наиболее выражен в областях ранней репликации. Кроме того, исследователи обнаружили изменения паттернов такого метилирования в промоторах многих генов.

Уровень H3K9me3 в мутантных клетках MCM2-2A также изменялся по сравнению с диким типом. Авторы показали, что из областей с высоким в норме уровнем H3K9me3 эта метка перераспределялась в области среднего и низкого метилирования. В основном низкий уровень сигнала H3K9me3 возрастал в позднереплицирующейся части генома.

Перераспределение гистоновых меток также затрагивало экспрессию многих генов. Изменения уровня H3K27me3 в промоторах отрицательно коррелировали с изменениями экспрессии генов, в то время как перераспределение метки H3K9me3 — нет. При этом хроматин, экспрессия генов в котором менялась, преимущественно находился в бивалентном состоянии, то есть содержал как активаторные, так и репрессорные метки. Асимметричная сегрегация гистонов в ходе репликации нарушала баланс активных и репрессивных меток на таких промоторах. Это позволяет утверждать, что симметричное распределение родительских гистонов необходимо для поддержания правильной регуляции экспрессии бивалентных генов.

Какие последствия это имеет для дальнейшей дифференцировки стволовых клеток? Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи проанализировали транскриптомный профиль мутантных клеток. Они установили, что эпигенетические изменения, происходящие в ответ на асимметричную сегрегацию гистонов, нарушают нормальный переход стволовых клеток из одного состояния в другое, ухудшая их способность к выходу из более наивных состояний и к дифференцировке. Так, клетки MCM2-2A не продуцировали морфологически нормальные нейроны. Вместо полноценной дифференцировки они поддерживали экспрессию маркеров эмбриональных стволовых клеток — NANOG и PECAM-1. Иными словами, симметричное распределение родительских гистонов оказалось необходимо для перехода от плюрипотентности к определенной траектории дифференцировки.

Когда ученые восстановили симметричное распределение гистонов в мутантных клетках, они обнаружили, что это восстановление устранило нарушения дифференцировки. Таким образом, наследование гистоновых меток имеет значение в каждом клеточном цикле для поддержания нормального состояния эпигенома, обеспечивающего пластичность эмбриональных стволовых клеток.

Как «отформатировать» стволовой клетке эпигенетическую память?