Centromer może być dziedziczony jako stan chromatyny, a nie jako jedna obowiązkowa sekwencja DNA
Centromer jest miejscem, w którym chromosom łączy się z wrzecionem podziałowym, więc bez niego nie dałoby się stabilnie przekazywać chromosomów komórkom potomnym. Intuicyjnie można oczekiwać, że tak ważną strukturę definiuje jedna konkretna sekwencja DNA. U większości eukariontów nie jest to takie proste. Kluczowym znacznikiem aktywnego centromeru jest specjalny wariant histonu CENP-A i związany z nim stan chromatyny. Znane są neocentromery powstające w miejscach bez typowego centromerowego DNA oraz chromosomy z dwoma regionami centromerowymi, z których tylko jeden pozostaje aktywny. To jeden z najczystszych przykładów dziedziczenia informacji epigenetycznej na poziomie całego chromosomu.
Chromosom potrzebuje miejsca zaczepienia
Podczas mitozy i mejozy chromosomy muszą zostać przyłączone do mikrotubul wrzeciona i rozdzielone do właściwych komórek. Platformą dla tego połączenia jest kinetochor, który składa się na centromerze. Błąd w określeniu miejsca centromeru może prowadzić do utraty chromosomu, jego błędnej segregacji albo rozerwania. Z punktu widzenia komórki jest to więc jeden z najbardziej krytycznych adresów na całym chromosomie.
W niektórych organizmach, zwłaszcza w drożdżach pączkujących, krótkie sekwencje DNA bardzo precyzyjnie określają centromer. Jednak w większości eukariontów centromerów nie można zdefiniować prostą, uniwersalną sekwencją. U ludzi centromery są silnie związane z powtarzalnym DNA alfa-satelitarnym, ale sama obecność takich powtórzeń nie wystarcza, by każdy ich fragment automatycznie stał się aktywnym centromerem.
CENP-A działa jak epigenetyczny znacznik miejsca
W aktywnym centromerze część zwykłego histonu H3 w nukleosomach zastępuje jego wariant CENP-A. Ta charakterystyczna chromatyna pomaga rekrutować kolejne białka centromeru i kinetochoru. Co ważne, po replikacji DNA komórka musi odtworzyć centromerową domenę w tym samym miejscu. Istnieją mechanizmy, które wykorzystują istniejącą chromatynę CENP-A jako część informacji potrzebnej do ponownego założenia znacznika w następnym cyklu.
Najbardziej przekonujący dowód, że sam kod DNA nie wyznacza centromeru, dają neocentromery. Są to nowe aktywne centromery powstające w regionach, które wcześniej nie pełniły tej funkcji i często nie zawierają typowych powtórzeń centromerowych. Mimo to potrafią rekrutować CENP-A, budować kinetochor i uczestniczyć w segregacji chromosomu. To tak, jakby komórka przeniosła funkcjonalny „adres” bez przenoszenia klasycznej sekwencji adresowej.
Dwa potencjalne centromery nie muszą być dwa razy aktywne
Rearanżacje chromosomowe mogą tworzyć chromosomy dicentryczne z dwoma regionami zawierającymi DNA typowe dla centromeru. Stabilność często wymaga funkcjonalnego wyciszenia jednego z nich. Takie pseudodicentryczne chromosomy pokazują odwrotną sytuację niż neocentromer: odpowiednia sekwencja może być obecna, ale centromer pozostaje nieaktywny. Ponownie decydujący okazuje się stan chromatyny i zgromadzona maszyneria, nie sama litera po literze sekwencja.
W tym przypadku „epigenetyczny” ma bardzo konkretne znaczenie. Informacja o aktywnym centromerze jest związana z organizacją chromatyny, szczególnie z CENP-A i białkami współtworzącymi tę domenę. Nie znaczy to, że sekwencja DNA jest nieważna — może ułatwiać stabilność i ewolucję centromeru — lecz nie jest jedyną warstwą określającą funkcję.
Dziedziczenie dotyczy także organizacji chromosomu
Zwykle myślimy o dziedziczeniu jako kopiowaniu sekwencji nukleotydów. Centromer przypomina, że komórka musi również odziedziczyć architekturę funkcjonalną chromosomu. Po każdym podziale trzeba odtworzyć nie tylko DNA, lecz także informację o tym, gdzie ma powstać kinetochor. Bez tej warstwy identyczna sekwencja genomu nie wystarczyłaby do stabilnego przekazywania chromosomów.
CENP-A musi zostać odtworzony po replikacji
Gdy DNA jest kopiowane, istniejące nukleosomy CENP-A zostają rozdzielone między siostrzane chromatydy, więc znak centromerowy ulega rozcieńczeniu. Komórka wykorzystuje wyspecjalizowane czynniki montażowe, aby w odpowiednim momencie cyklu komórkowego uzupełnić CENP-A właśnie w domenie centromeru. W ten sposób wcześniejszy stan chromatyny pomaga wskazać, gdzie nowa warstwa centromerowej chromatyny ma zostać założona.
Sekwencja i epigenetyka współpracują, zamiast się wykluczać
Stwierdzenie, że centromer jest epigenetyczny, nie oznacza, że DNA nie ma znaczenia. U ludzi powtarzalne alfa-satelity i białko CENP-B mogą sprzyjać organizacji typowych centromerów, a sekwencje centromerowe wpływają na ich ewolucję. Neocentromery pokazują jednak, że ta konkretna sekwencja nie jest absolutnym warunkiem. Najlepszy obraz to współdziałanie podłoża DNA i samopodtrzymującego się stanu chromatyny.
Neocentromer pokazuje, że funkcja może przeskoczyć bez kopiowania klasycznego DNA
W ludzkich przypadkach neocentromer może powstać na euchromatynowym fragmencie pozbawionym typowej długiej tablicy alfa-satelitów. Jeśli zbuduje stabilną domenę CENP-A i kinetochor, chromosom może być przekazywany mimo nietypowego „adresu”. Takie przypadki są rzadkie, ale właśnie dlatego stanowią naturalny eksperyment rozdzielający dwa elementy, które zwykle występują razem: powtarzalne centromerowe DNA oraz aktywną funkcję centromeru.