Метилирование ДНК: основные сведения
Метилирование ДНК - добавление метильной группы непосредственно к цитозиновому основанию (С) в матрице ДНК, которое может создавать сайты для присоединения белков, чтобы изменить состояние хроматина или повлиять на ковалентную модификацию резидентных гистонов.
Метилирование ДНК - эпигенетический механизм, о котором раньше других стало известно, что он коррелирует с репрессией генов ( Razin and Riggs, 1980 ). В той или инои степени оно имеет место у всех эукариот за исключением дрожжей. Эта модификация заключается в добавлении метильной группы к цитозиновым остаткам матрицы ДНК. У млекопитающих она происходит по динуклеотидам, тогда как у N. crassa и растений известны другие паттерны метилирования, симметричные, асимметричные и не по CpG . Распределение метилированной ДНК по геному показывает ее повышенное содержание в некодирующих районах (например, центромерном гетерохроматине) и в рассеянных (interspersed) повторяющихся элементах ( транспозонах ), но не в островках CpG активных генов ( Bird, 1986 ). Действительно, повышенные уровни метилирования ДНК коррелируют с относительным увеличением содержания некодирующей и повторяющейся ДНК в геномах высших эукариот ( рис. 3.15 ). Экспериментальные данные показывают, что это происходит потому, что метилирование ДНК служит главным образом как защитный механизм, чтобы подавлять значительную часть генома чужеродного происхождения (т.е. реплицированные перемещающиеся элементы, вирусные последовательности и другие повторяющиеся последовательности).
ДНК-метилтрансферазы (DNMTs) являются "эффекторами" метилирования ДНК и катализируют либо метилирование de novo (т.е. в новых сайтах), либо поддерживающее метилирование полуметилированной ДНК после репликации ДНК. Утрата способности поддерживать метилирование ДНК может приводить к некоторым заболеваниям, таким как ICF (Immunodeficiency, Centromeric instability, and Facial abnormalities - иммунодефицит, центромерная нестабильность и лицевые аномалии) (главы " Метилирование ДНК у млекопитающих " и " Эпигенетика и болезни человека "). Дерегуляция в уровнях метилирования ДНК вносит вклад и в прогрессию рака (глава " Эпигенетические детерминанты при раковых заболеваниях ").
Что представляют собой сигналы, направляющие DNMTs для метилирования определенных участков ДНК? В настоящее время известно, что для того, чтобы "направить" метилирование ДНК de novo, высокоповторяющиеся тандемные последовательности в геноме (например, перицентромерный хроматин ) "опираются" на репрессивные метки метилирования по НЗК9, как это показано у N. crassa и растений. Рассеянные (interspersed) повторы также могут сигнализировать о метилировании ДНК de novo, как это описано в контексте RIP у N. crassa ( Tamaru and Selker, 2001 ) и сайленсинга ретротранспозонов в зародышевом пути у самцов млекопитающих. Отвечающий за это белок идентифицирован ( Dnmt3L ) и мог бы функционировать путем сканирования генома для отыскания высоких уровней границ "гомология-гетерология", служащих сигналом о необходимости метилирования ДНК ( Bourc'his and Bestor, 2004 ). У растений сигнал для метилирования ДНК de novo обеспечивают РНК посредством уникального механизма, названного РНК-зависимым метилированием ДНК ( RdDM ). Имеются данные о том, что для глобальных паттернов метилирования ДНК почему-то необходимы комплексы, осуществляющие ремоделинг хроматина и относящиеся к семейству SWI / SNF , как это показано на растениях ( Jeddeloh et al., 1999 ) для белка DDM1 и на млекопитающих с помощью гомолога Lsh1 ( Yan et al. 2003 ). Наконец, белок EZH2 (относящийся к HKMT-PcG) тоже может участвовать в "направлении" метилирования ДНК в некоторых промоторах у млекопитающих ( Vire et al., 2005 ).
Способ, посредством которого установившееся метилирование ДНК может обусловливать сайленсинг хроматина , выяснен еще не полностью, хотя данные указывают на trans-peгуляцию. Белки, связывающиеся с метилированными цитозинами и названные доменными белками, связывающимися с метил-CpG (MBD) , могут рассматриваться как основанный на метилировании ДНК эквивалент элементов связывания [binders] (или "считывателей") модифицированных гистоновых мотивов ( рис. 3.13 ). Например, белок, связывающийся с метилцитозином ( МеСР2 ), связывается с метилированными CpG и рекрутирует HDACs , служа связующим звеном для репрессивных гистоновых меток (глава " Метилирование ДНК у млекопитающих "). Известно также, что метилирование ДНК нарушает сайты распознавания регуляторов транскрипции (например, CECA ), участвующих в геномном импринтинге (глава " Геномный импринтинг у млекопитающих ").
Наличие метилированной ДНК в импринтированных локусах, обусловливающей сайленсинг либо материнской, либо отцовской аллели у растений и плацентарных млекопитающих, позволяет предположить, что в ходе эволюции эти организмы уникальным образом приспособили этот эпигенетический механизм для стабилизации репрессии генов. Интересно отметить, что у сумчатых метилирования ДНК в импринтированных локусах нет, что указывает на то, что вовлечение этого механизма в импринтинг у млекопитающих является относительно недавним эволюционным событием (главы " Компенсация дозы у млекопитающих " и " Геномный импринтинг у млекопитающих "). Напротив, у таких двукрылых насекомых, как Drosophila , метилирование ДНК как функциональный эпигенетический механизм в основном утрачено ( Lyko, 2001 ).
Высокоповторяющиеся участки генома млекопитающих, обычно метилированные, становятся все более мутагенными, когда они не метилированы, - до такой степени, что вызывают глобальную геномную нестабильность ( Chen et al., 1998 ). В результате возникают хромосомные аномалии, являющиеся главной причиной многих болезней и прогрессии рака. Это подчеркивает решающую роль метилирования ДНК в обеспечении целостности генома. С другой стороны, отдельные метилированные остатки цитозинов весьма предрасположены к спонтанному мутированию. Таким образом, со временем в результате реакции дезаминирования возникают транзиции С-Т ( рис. 3.13 ), но полагают, что эта характеристика благоприятна для защиты хозяйского генома, потому что она постоянно дезактивирует такие паразитические нуклеотидные последовательности ДНК, как транспозоны. В ином контексте эта же самая химическая реакция активно катализируется дезаминазой, индуцируемой активацией, или AID (activation-induced deaminase). Экспрессия этого энзима в В-клетка и Т-клетках вызывает "соматические гипермутации" в иммуноглобулиновом локусе ( Ig ). Это важный механизм расширения репертуара рецепторов антигенов и, отсюда, усиления иммунитета у млекопитающих ( Petersen-Mahrt, 2005 ; глава " Эпигенетическое регулирование лимфоцитопоэза "). Экспрессия AID, наблюдаемая в раннем развитии млекопитающих, привела к предположению, что она может обеспечивать альтернативный путь к деметилированию ДНК, хотя это происходило бы на фоне риска повышенной частоты точечных мутаций.
Метилирование ДНК и метилирование гистонов являются известными механизмами эпигенетической регуляции генома. Некодирующие РНК ( ncRNA ) являются важными первичными триггерами для индукции "молчащего" хроматина. Известно также, что молекулы РНК могут быть интенсивно метилированы по сахарному или нуклеозидному скелету. Более того, показано, что метилирование малых некодирующих РНК на 3'-конце стабилизирует эти молекулы ( Yu et al., 2005 ). Любопытно, что Dnmt2 недавно была идентифицирована как метилтрансфераза тРНК ( Goll et al., 2006 ). Поэтому похоже, что РНК-метилтрансферазы, подобные DNMTs и HKMTs , могут существовать как "считыватели" эпигенетической информации, хотя прямых данных, подтверждающих это, нет. Однако метилирование РНК, по-видимому, "чувствуется" определенными Тоll-подобными рецепторами (трансмембранными рецепторами, которые распознают молекулярные мотивы обычных патогенов), чтобы опосредовать врожденный иммунитет ( Ishii and Akira, 2005 ), что говорит в пользу такой гипотезы. Возникает интересная возможность, что метилирование РНК может все же быть эпигенетической модуляцией на основе третьей формы метилирования.
Различают de novo и поддерживающее метилирования ДНК.
De novo метилирование осуществляет модификацию прежде неметилированных последовательностей ДНК ( рис. 18.1 ). У растений это метилирование может затрагивать CpG , CpNpG и CpNpN последовательности (где N - A, Т или С). В отличие от растений у животных метилирование ДНК, в основном ограничивается CpG динуклеотидами и пока нет сведений о существенном метилировании цитозиновых остатков в асимметричных CpNpN сайтах. Хотя природа сигналов, запускающих de novo метилирование ДНК, в основном пока еще неизвестна, однако у растений эту роль могут выполнять двутяжевые РНК.
Поддерживающее метилирование сохраняет картину (pattern) метилирования генома при репликации ДНК и особенно эффективно затрагивает CpG и CpNpG нуклеотидные последовательности, обладающие палиндромной симметрией. Поддерживающему метилированию подвержены полуметилированные ДНК после репликации или репарации, у которых "гидом" для узнавания метилируемых сайтов в новообразованной цепи служат метилированные цитозиновые остатки в материнской цепи.
У млекопитающих метилирование ДНК, являющееся наиболее хорошо изученным эпигенетическим сигналом, осуществляется преимущественно по углероду-5 симметричных динуклеотидов CpG. Состояние метилирования ДНК сохраняется после деления клетки посредством активности ДНК-метилтрансферазы 1, которая метилирует полуметилированные динуклеотиды CpG в дочерних клетках. Модификации хроматина включают ковалентные посттрансляционные модификации торчащих амино-терминальных гистоновых "хвостов" путем добавления к ним ацетильных, метильных, фосфатных, убиквитиновых или других групп. Метильные модификации могут представлять собой моно-, ди-, или три-метилирование. Эти модификации составляют потенциальный " гистоновый код ", лежащий в основе специфической хроматиновой структуры, которая, в свою очередь, влияет на экспрессию соседних генов.
Утрата метилирования по цитозину в ДНК (гипо) приводит к нестабильности генома. Локальное гиперметилирование в промоторе гена (гипер) вызывает наследуемый сайленсинг и, следовательно, инактивацию генов-супрессоров опухоли . Кроме того, метилированные сайты CpG представляют собой горячие точки для мутаций типа транзиций С на Т, вызванных спонтанным гидролитическим дезаминированием. Метилирование сайтов CpG также повышает связывание некоторых химических канцерогенов с ДНК и повышает частоту мутаций, индуцированных УФ-излучением.
