Функциональный полиморфизм ЯОР может быть обусловлен как числом транскрибируемых копий р-генов, так и колебаниями их транскрипционной активности.
К изменению числа копий р-генов в кластере (делеции части копий либо их тандемной дупликации) приводит неравный кроссинговер, который может происходить как между гомологичными ядрышкообразующими хромосомами, так и вследствие негомологичной рекомбинации в мейозе [636].
Вместе с тем, при наследовании число копий генов рРНК в каждой ЯО-хромосоме, как правило, остается неизменным. Сохранение в большинстве случаев определенного уровня активности индивидуальных ЯОР, возможно, обеспечивается равным распределением между дочерними хромосомами рДНК-транскрипционного комплекса, который и определяет тип экспрессии соответствующих кластеров ЯО-генов [846].
Нередко транскрипционная активность некоторых ЯОР при передаче потомству меняется. Эта изменчивость позволяет предположить возможность наследования не жестко закрепленного признака, а некоторого диапазона потенциальной изменчивости в функционировании ЯОР индивидуальных акроцентрических хромосом [180]. Не исключено, что реализация этих потенций осуществляется с помощью присутствующих в геноме так называемых «молчащих» рибосомных генов [103]. Возможно, эти резервные гены рРНК могут в определенных условиях реактивироваться, однако природа «молчащих» р-генов и факторов, влияющих на их работу, остаются до сих пор невыясненными.
В какой-то мере вариабельность функционирования структурно идентичных кластеров рибосомных генов объясняет двухступенчатая модель активации ЯОР [908]. Она предполагает вероятностное связывание транскрипционных факторов с разными ЯОР в клетке. На первом этапе определенное количество транскрипционных факторов случайным образом связывается с _р-генными кластерами, так что любой ЯОР равновероятно может присоединить требуемые факторы транскрипции. В том случае, если в клетке присутствуют гетероморфные ЯОР, наибольший по размерам ЯОР наиболее вероятно будет связывать большее количество факторов и, следовательно, иметь большую транскрипционную активность. На втором этапе происходит кооперативное связывание оставшихся факторов транскрипции, имеющих большее сродство к промоторам тех копий /gt;-генов, которые на первом этапе уже связали ферменты транскрипционного комплекса. В основе этого процесса могут лежать такие механизмы как локальная перестройка хроматина в ЯОР или «усиливающее» действие определенных транскрипционных агентов, локализованных в спейсерных участках рДНК. Кооперативное связывание приводит к активации тех ЯОР, которые присоединили факторы транскрипции на первом этапе. Оставшиеся ЯОР будут активироваться только в том случае, если первично активированных копий _р-генов недостаточно для нормальной жизнедеятельности клетки. Таким образом, двухступенчатая модель активации ЯОР предполагает существование определенной «иерархии» активации ЯОР, при которой больший по размеру /gt;-генный кластер будет проявлять соответственно большую транскрипционную активность.
Принимая во внимание, что копийность кластеров _р-генов и уровень их активности не всегда коррелируют друг с другом, следует допустить существованиемеханизмов регуляцииуровня экспрессии.Предполагается, что основную роль могут играть метилирование рДНК, ацетилирование гистонов, изменение структуры хроматина, а также инактивация /-генов, обусловленная эффектом положения [450].
Одним из основных доказательств ключевой роли метилирования в регуляции активности рибосомных генов являются опыты с использованием аналога цитозина — 5-азацитидина, который вызывает деметилирование ДНК. При введении этого агента в культуру клеток в период репликации ДНК происходит деспирализация и реактивация ранее «молчащих» /-генов [22, 505, 591].
Для инактивации рибосомных генов необходимо метилирование определенных положений в гене рРНК. Так, в экспериментах на мышах было установлено, что для репрессии р-генов достаточно метилирования единственного СpG динуклеотида в регуляторной области, которое затрудняет связывание активатора транскрипции рДНК фактора UBF и тем самым предотвращает и формирование транскрипционного комплекса. Этот эффект усиливается, если метилированным оказывается энхансер, расположенный перед промоторной областью р-гена [775]. Для инактивации транскрипции гена рРНК человека необходимо метилирование положений -96, -102 и -347 в ДНК промоторной области [768].
На следующем этапе инактивации рДНК с ней связывается NoRC (Nucleolar Remodelling Complex) — особый белковый комплекс ремоделирования хроматина [750]. Он вызывает гетерохроматинизацию за счет метилирования рДНК и деацетилирования гистонов. Ассоциация с кластерами рДНК транскрипционного комплекса на всем протяжении клеточного цикла, его сохранность в митозе, когда экспрессия подавлена, свидетельствуют о том, что репрессия транскрипции р-генов обратима [439]. При этом метилирование является своеобразным механизмом клеточной памяти. После репликации на вновь синтезированных нитях ДНК метилированные цитозины ранее инактивированных рибосомных генов являются маркерами для белков-репрессоров [813], изменяющих нуклеосомную структуру хроматина в кластере р-генов [321, 584].
Предполагается также, что дополнительным фактором, влияющим на функциональную активность ЯОР, является присутствие блоков конститутивного гетерохроматина (С-блоков) в участках, смежных с р-ген- ными кластерами [450]. Ярко выраженный эффект положения отмечен у шимпанзе, у которых ЯОР часто фланкированы блоками конститутивного гетерохроматина, и именно поэтому рДНК оказывается подверженной репрессии в участках, прилежащих к С-блокам. Для человека подобный эффект положения ЯОР характерен в меньшей степени, возможно, потому, что С-блоки в прицентромерном районе обычно присутствуют только с одной стороны от кластера р-генов, которые оказываются «зажатыми» между участками конститутивного гетерохроматина.
Таким образом, функциональная активность ЯОР и число содержащихся в них копий генов рРНК взаимосвязаны, при этом активность
ЯОР определяется числом работающих копий /gt;-генов, экспрессия которых, в свою очередь, регулируется на уровне транскрипции. До настоящего времени, однако, до конца не выяснены факторы, которые вызывают изменение транскрипционной активности _р-генов.