Метилювання ДНК

Метилювання ДНК - це модифікація молекули ДНК без зміни самої нуклеотидної послідовності ДНК, що можна розглядати як частину епігенетичною складової геному. [1] [2] [3] Метилювання ДНК полягає в приєднанні метильної групи до цитозин у складі CpG-динуклеотид в позиції С5 цитозинових кільця.

Метилювання ДНК вважається, в основному, властивим еукаріотів. У людини метильованих близько 1% геномної ДНК. В соматичних клітинах дорослого організму метилування ДНК зазвичай відбувається в CpG-динуклеотид; метилування ДНК поза CpG-динуклеотид зустрічається в ембріональних стовбурових клітинах. [4] [5]

У рослин метилування цитозину відбувається як симетрично по обидва ланцюгах (на CpG або CpNpG), так і асиметрично лише на одній з двох ланцюгів (на CpNpNp, де N позначає будь нуклеотид).


1. Метилювання ДНК у ссавців

Близько 60-70% всіх CpG-динуклеотид у ссавців метильованих. Неметілірованние CpG-динуклеотид згруповані в т. н. "CpG-острівці", які присутні в 5 'регуляторних областях багатьох генів. Різні захворювання, наприклад, рак, супроводжуються початковим аномальним гіпометілірованіем ДНК і подальшим гіперметілірованіем CpG-острівців в промоторних областях генів, що призводить до стійкої репресії транскрипції. Репресія транскрипції в цьому випадку опосередкована білками, які здатні зв'язуватися з метильованих CpG-динуклеотид. Ці білки, звані метілцітозін-зв'язуючими білками, залучають деацетілазу гістонів (HDAC) та інші фактори, що беруть участь в ремоделюванні хроматину. Сформувався комплекс може модифікувати гістони, формуючи конденсовану транскрипційно не активну структуру гетерохроматину. Вплив метилювання ДНК на структуру хроматину має велике значення для розвитку і функціонування живого організму. Зокрема, відсутність метілцітозін-зв'язуючого білка 2 (MeCP2) внаслідок, наприклад, мутації у відповідному гені, призводить до розвитку синдрому Ретта у людини; інактивація метілцітозін-зв'язуючого доменного білка 2 (Methyl-CpG binding domain protein 2 - MBD2), який бере участь в репресії транскрипції гіперметілірованних генів, відзначена при онкологічних захворюваннях.


1.1. Метилювання ДНК у людини

У людини за процес метилування ДНК відповідають три ферменту, звані ДНК-метилтрансферази 1, 3a і 3b (DNMT1, DNMT3a, DNMT3b), відповідно. Передбачається, що DNMT3a і DNMT3b - це de novo метилтрансферази, які здійснюють формування патерну метилювання ДНК на ранніх стадіях розвитку, а також його зміни в процесі диференціювання клітин. Існує гіпотеза про те, що метилування ДНК de novo викликається, зокрема, интерферирующими РНК за допомогою РНК-залежного метилування ДНК - процесу, що виник в ході еволюції з метою репресії мобільних елементів геному. [6] DNMT1 є ДНК-метилтрансферазою, яка підтримує метильованих стан ДНК, приєднуючи метильної групи до одного з ланцюгів ДНК в точках, де інша, комплементарна їй ланцюг, метильованих. Білок DNMT3L гомологічен іншим DNMT-білкам, але не має каталітичної активності. Замість цього, DNMT3L підтримує de novo метилтрансферази, сприяючи зв'язуванню цих ферментів із ДНК і стимулюючи їх активність.

Важливими етапами у розвитку злоякісних новоутворень є попереднє гіпометілірованіе ДНК [7] і подальша інактивація генів-супресорів пухлинного росту. У разі, коли інактивація була обумовлена ​​метилуванням промоторні області гена, проводилися експерименти по відновленню експресії шляхом інгібування DNMT. 5-aza-2'-дезоксіцітідін (децітабін) є нуклеозидними аналогами, інгібуючим DNMT метилтрансферази. Механізм дії препарату заснований на ковалентном зв'язуванні ферменту в комплексі з ДНК, що унеможливлює виконання ферментом своєї функції і призводить до деградації метилтрансферази. Однак для того, щоб децітабін був активний, він повинен вбудуватися в геном клітини, але це, в свою чергу, може викликати мутації в дочірніх клітинах, якщо клітина не гине і продовжує ділення. До того ж, децітабін токсичний для кісткового мозку, що звужує область його терапевтичного застосування. Ці обмеження призвели до інтенсивного пошуку методів терапевтичного впливу, заснованих на використанні "антисмислової" РНК, які протидіють DNMT допомогою деградації її мРНК і, отже, блокують трансляцію. Тим не менш, як і раніше залишається відкритим питання про те, чи є інгібування функції DNMT1 достатньою умовою для збільшення експресії генів-супресорів, негативна регуляція транскрипції яких здійснюється метилуванням ДНК.


2. Метилювання ДНК у рослин

Останнім часом відбувся значний прорив у розумінні процесу метилування ДНК у рослин, особливо у Arabidopsis thaliana. Основними метилтрансферази ДНК у A. thaliana є Met1, Cmt3 і Drm2, які на рівні амінокислотної послідовності подібні вищеописаним метилтранферази ДНК у ссавців. Drm2, імовірно, бере участь як в de-novo метилюванні ДНК, так і в підтримці метилування на більш пізніх стадіях розвитку. Cmt3 і Met1, головним чином, виконують функцію підтримки метилування ДНК. [8] Інші метилтрансферази ДНК також присутні у рослин, але їх функція поки не з'ясована (Див. [1]). Вважається, що специфічність метилтрансферази в процесі метилювання ДНК модулюється за допомогою РНК. Специфічні РНК-транскрипти транскрибуються з певних ділянок матриці - геномної ДНК. Ці РНК-транскрипти можуть формувати двухцепочная молекули РНК. Двухцепочная РНК, за допомогою регуляторних сигнальних шляхів, пов'язаних або з малими інтерферрірующімі РНК (siRNA), або з мікроРНК (miRNA), детермінують локалізацію метилтрансферази ДНК на ділянках специфічних нуклеотидних послідовностей в геномі. [9]


Примітки

  1. Bethany A. Buck-Koehntop and Pierre-Antoine Defossez (2013) On how mammalian transcription factors recognize methylated DNA. 8 (2), 131 - 137 http://dx.doi.org/10.4161/epi.23632 - dx.doi.org/10.4161/epi.23632
  2. Seisenberger S, Peat JR, Hore TA, Santos F, Dean W, Reik W. (2013) Reprogramming DNA methylation in the mammalian life cycle: building and breaking epigenetic barriers. Phil. Trans. R. Soc. B 368, 20110330. doi: 10.1098/rstb.2011.0330
  3. Kelsey G, Feil R. (2013) New insights into establishment and maintenance of DNA methylation imprints in mammals. Phil. Trans. R. Soc. B 368, 20110336. doi: 10.1098/rstb.2011.0336
  4. Dodge, Jonathan E.; Bernard H. Ramsahoyeb, Z. Galen Woa, Masaki Okanoa, En Li (May 2002). " De novo methylation of MMLV provirus in embryonic stem cells: CpG versus non-CpG methylation - Direct.
  5. Haines, Thomas R. (Dec 2001). " Allele-Specific Non-CpG Methylation of the Nf1 Gene during Early Mouse Development - Direct.
  6. Галицький В.А. (2008). " Гіпотеза про механізм ініціації малими РНК метилування ДНК de novo і аллельного виключення - www.tsitologiya.cytspb.rssi.ru/50_4/halytskiy.pdf "(російська). Цитологія 50 (4): 277-286.
  7. Elias Daura-Oller, Maria Cabre, Miguel A Montero, Jose L Paternain, and Antoni Romeu (2009) "Specific gene hypomethylation and cancer: New insights into coding region feature trends". Bioinformation. 2009; 3 (8): 340-343.PMID PMC2720671
  8. Cao, Xiaofeng; Jacobsen, Steven E. (2003 Jul). " Locus-specific control of asymmetric and CpNpG methylation by the DRM and CMT3 methyltransferase genes - www.pnas.org/cgi/content/full/99/suppl_4/16491 ". PNAS.
  9. Aufsatz, Werner; M. Florian Mette, Johannes van der Winden, Antonius JM Matzke, Marjori Matzke (2002 Dec). " RNA-directed DNA methylation in Arabidopsis - www.pnas.org/cgi/content/full/99/suppl_4/16491 ". PNAS.

4. Зовнішні посилання