|
Histon H1 - nowe oblicze dawno znanego białka
Od szeregu lat zajmujemy się analizą molekularnego mechanizmu działania histonu H1, kluczowego składnika białkowego chromosomów wszystkich organizmów eukariotycznych. In vitro H1 wykazuje właściwości ogólnego represora transkrypcji oraz stabilizatora skondensowanych struktur chromosomowych. Mimo, że udało się wyjaśnić molekularne podłoże specyficznej represji przez H1 genów 5S rRNA, zachodzącej w trakcie rozwoju u Xenopus1,2,3,4 ogólna funkcja H1 w komórkach nie jest jasna, szczególnie w świetle doświadczeń wykazujących, że eliminacja H1 in vivo (za pomocą unieczynnienia genu) u takich organizmów, jak Tetrahymena i drożdże, nie jest letalna ani nie prowadzi do zasadniczych zmian fenotypowych. Histon H1 występuje w komórkach roślin i zwierząt w postaci zróżnicowanych sekwencyjnie wariantów. Ich znaczenie dla normalnej fizjologii komórek i organizmów jest również niejasne.
W naszej pracowni opracowaliśmy system oparty na roślinach transgenicznych pozwalający na manipulowanie poziomem i składem wariantów H1 u tytoniu5. Analiza skonstruowanych przez nas roślin ze zmienionym profilem wariantów sekwencyjnych histonu H1 doprowadziła do zaskakującego odkrycia. Tytoń, jak to wykazaliśmy, posiada 6 wariantów sekwencyjnych histonu H1: dwa duże (H1A i H1B) stanowiące ok. 90% wszystkich H1 i cztery małe (H1C, H1D, H1E, i H1F) występujące w śladowych ilościach. Okazało się, że podniesienie w komórkach poziomu małych wariantów kosztem dużych prowadzi do drastycznie ostrego fenotypu polegającego na zaburzeniu w rozwoju kwiatu objawiającego się całkowitą męskosterylnością i nie wytwarzaniem nasion. Pierwotną przyczyną tego fenotypu jest spowodowany zmianą proporcji wariantów defekt w parowaniu chromosomów homologicznych w mejozie prowadzącej do powstania gamet męskich, co szczegółowo opisaliśmy6. Od dawna wiadomo, że identyczny fenotyp wywoływany jest powszechnie u roślin przez stres suszy pojawiający się we wczesnym okresie rozwoju kwiatu (wtedy, gdy zachodzi mejoza i wytwarzane są gamety). Uważa się, że jest to uniwersalna strategia przystosowawcza roślin kwiatowych umożliwiająca czasowe zaniechanie inwestycji rozrodczej w niekorzystnych warunkach. Zjawisko to i związany z nim brak nasion, jest przyczyną największych światowych strat w zbiorach, szczególnie w krajach ubogich. Fizjologia i biochemia tego zjawiska są dobrze przebadane7. Uważa się, że rzeczywistym sygnałem powodującym indukcję opisanego fenotypu jest zwiększone stężenie uniwersalnego sensora stanu fizjologicznego rośliny, jakim jest sacharoza. Odwodnienie powoduje stopniowy wzrost stężenia tego cukru w komórkach.
Nie wiadomo tylko, co jest molekularnym przełącznikiem między stężeniem sacharozy a wspomnianym, niezwykle wybiórczym efektem fenotypowym.
Obecnie wydaje się, że możemy na to pytanie przynajmniej częściowo odpowiedzieć. Gdy sklonowaliśmy geny dwóch małych wariantów H1 (H1C i H1D), których poziom wzrasta w skonstruowanych przez nas męskosterylnych roślinach, okazało się, że należą one do małej rodziny roślinnych wariantów H1 indukowanych przez suszę. O istnieniu takich wariantów w roślinach wiedziano od jakiegoś czasu, nikt jednak nie był w stanie zaproponować rozsądnego wyjaśnienia łączącego białka chromosomowe i stres suszy. Co więcej, wykonana przez nas analiza fragmentu 3' końcowego (tzw. 3' UTR) mRNA wariantu H1C ujawniła, że zawiera on element sekwencyjny związany z reakcją na poziom sacharozy, a analiza mRNA H1C w roślinach hodowanych w płynnej pożywce wykazała pozytywną zależność między jego poziomem a stężeniem sacharozy w pożywce. Nie jest więc wykluczone, że molekularne podłoże powszechnego u roślin kwiatowych fenotypu związanego ze stresem suszy obejmuje indukcję transkrypcji lub wybiórczą stabilizację mRNA charakterystycznych wariantów histonu H1 i w konsekwencji zmianę normalnych proporcji wariantów H1 w chromosomach, co wywołuje zakłócenie rozpoznawania i parowania chromosomów homologicznych w mejozie i prowadzi do wytwarzania niezdolnych do zapłodnienia gamet.
Andrzej Jerzmanowski
Prof. dr hab. Andrzej Jerzmanowski jest pracownikiem Instytutu Eksperymentalnej Biologii Roślin Uniwersytetu Warszawskiego i Instytutu Biochemii i Biofizyki PAN w Warszawie.
Przypisy:
- Jerzmanowski A, Cole R.D (1990) Flanking Sequences of Xenopus 5S RNA Genes Determine Differential Inhibition of Transcription by H1 Histone in vitro. J. Biol. Chem. 265, 10726-10732
- Tomaszewski R, Jerzmanowski A (1997) The AT-rich flanks of the Oocyte-type 5S RNA Gene of Xenopus laevis Act as a Strong Local Signal for Histone H1-mediated Chromatin Reorganization in vitro. Nucleic Acids Research 25, 458-465
- Tomaszewski R, Mogielnicka E, Jerzmanowski A (1998) Both the 5S rRNA Gene and the AT-Rich Flanks of Xenopus laevis Oocyte-type 5S rDNA Repeat are Required for Histone H1-Dependent Repression of pol III-type Genes in in vitro Reconstituted Chromatin. Nucleic Acids Research 26, 5596-5601
- Crane-Robinson C (1999) How do Linker Histones Mediate Differential Gene Expression? BioEssays 21, 367-371
- Prymakowska-Bosak M, Przewłoka M, Iwkiewicz J, Egierszdorff S, Kuraś M, Chaubet N,
Gigot C, Spiker S, Jerzmanowski A (1996) Histone H1 Overexpressed to High Level in Tobacco Affects Certain Developmental Programs but has Limited Effect on Basal Cellular Functions. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93, 10250-10255
- Prymakowska-Bosak M, Przewłoka M.R, Ślusarczyk, J, Kuraś M, Lichota J, Kiliańczyk B, Jerzmanowski A (1999) Linker Histones Play a Role in Male Meiosis and the Development of Pollen Grains in Tobacco. The Plant Cell 11, 2317-2329
- Saini H.S (1997) Effect of Water Stress on Male Gametophyte Development in Plants. Sex Plant Reprod. 10, 67-73
powrót do wydawnictwa 
|
