Метилирование ДНК – ключевая эпигенетическая модификация генома млекопитающих

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Метилирование ДНК – ключевая эпигенетическая модификация генома млекопитающих

Метилирование ДНК

В настоящее время много внимания уделяется изучению эпигенетических модификаций генома в связи с их значительной ролью в процессах реализации наследственной информации в онтогенезе (Ko et al., 2008; Shi et al., 2009). Эпигенетические модификации изменяют уровень экспрессии генов, могут наследоваться в ряду митотических, а, в некоторых случаях, и меойтических делений клетки, причем без изменения нуклеотидной последовательности ДНК. Эпигенетические модификации включают метилирование ДНК, посттрансляционные модификации гистоновых белков, различные типы интерферирующих РНК (Holmquist, Ashley, 2006).

Метилирование ДНК – присоединение метильной группы к атому углерода в 5 положении цитозина с образованием 5-метилцитозина (5-mC) (Ванюшин, 2006). Метилирование цитозина является важной эпигенетической модификацией и участвует в таких биологических процессах, как регуляция экспрессии генов, сайленсинг транспозонов, инактивация Х-хромосомы (Deaton, Bird, 2011). Также метилирование задействовано в импринтинге (Li, Sasaki, 2011). Поддержание определенного характера метилирования важно для эмбрионального развития, а нарушения могут привести к инактивации генов супрессоров опухолей, что часто наблюдается при развитии рака (Tsai, Baylin, 2011).

Превращение цитозина в 5-метилцитозин осуществляет целое семейство особых ферментов - ДНК-метилтрансфераз (Maiti, Drohat, 2011). ДНК-метилтрансфераза 1 (DNMT1) выполняет функции поддерживающей метилтрансферазы, то есть поддерживает характер метилирования всего генома после репликации ДНК и преимущественно действует на гемиметилированные CpG динуклеотиды (Li et al., 1992). ДНК-метилтрансфераза 3а (DNMT3a) и ДНК-метилтрансфераза 3b (DNMT3b) являются de novo метилтрансферазами и действуют на неметилированные CpG динуклеотиды (Bestor, 1992). DNMT3L не имеет каталитической активности, однако может присоединять DNMT3a и DNMT3b к определенным последовательностям путем распознавания нуклеосом, которые содержат неметилированные гистоны H3K4 (Bourc’his, Bestor, 2004; Ooi et al., 2007). В недавних исследованиях было показано, что DNMT3a и DNMT3b in vitro имеют помимо метилтрансферазной, еще и дегидроксиметилазную активность и способны превращать 5-гидроксиметилцитозин (5-hmC) напрямую в цитозин. В присутствии β -меркаптоэтанола подавляется дегидроксиметилазная активность, а в условиях окислительного стресса (например, при наличии H₂O₂) снижена метилтрансферазная активность (Chen et al., 2012). Также идентифицирована ДНК-метилтрансфераза 2 (DNMT2), которая имеет слабую каталитическую активность. Она осуществляет очень специфическую функцию, которая заключается в метилировании цитозина в 38 положении антикодоновой петли тРНК аспарагина (Goll et al., 2006).

Метилирование происходит путем присоединения метильной группы от S-аденозилметионина в С5 положение (Goll, Bestor, 2005). Отсутствие ДНК-метилтрансферазы или S-аденозилметионина может способствовать таким реакциям, как дезаминирование в С4 положении (Yebra, Bhagwat, 1995) или присоединение альдегидов в С5 положение (Liutkeviciute et al, 2009). Метилирование ДНК чаще всего происходит в CpG динуклеотидах, но также может осуществляться в CpHpG и CpHpH последовательностях (буква Н обозначает одно из трех оснований – аденин, цитозин или тимин), особенно в плюрипотентных стволовых клетках (Tomizawa et al., 2011).

Метилирование CpG участков изменяет транскрипционную активность разными путями, которые основаны на биохимических и биофизических изменениях, происходящих во всей структуре ДНК (Fuks, 2005). Метилирование повышает температуру плавления двухцепочечной ДНК, тем самым снижая доступность промоторов для РНК полимеразы (Thalhammer et al., 2011). Воздействие метилирования может быть прямым, в результате чего блокируется связывание с различными транскрипционными факторами, что существенно снижает экспрессию гена (Klose, Bird, 2006). Однако существует и непрямой путь снижения экспрессии гена, который осуществляется с помощью белков, связывающихся с метилированной ДНК, а они, в свою очередь, привлекают ферменты, модифицирующие гистоны (Li, 2002). Таким образом, метилирование цитозина может ограничивать экспрессию определенных генов и этим регулировать функции клеток на различных стадиях развития. В эмбриогенезе метилирование снижает уровень экспрессии генов, специфичных для дифференцировки. А во время дифференцировки клетки метилируются гены плюрипотентности, что приводит к активации специфичных генов, определяющих дальнейшую судьбу клетки (Christophersen, Helin, 2010).

Одним из примеров регуляции экспрессии генов с помощью метилирования ДНК является геномный импринтинг. Геномный импринтинг связан с эпигенетическими изменениями, по-разному влияющими на экспрессию генов в зависимости от их родительского происхождения. Таким образом, экспрессируется только одна родительская аллель, тогда как экспрессия другой подавлена (Li, Sasaki, 2011).

Однако метилирование ДНК обратимо. Существует обратный, процесс удаления метильных групп, называемый деметилированием.

Строение и функции теломер

Теломеры – нуклеопротеиновые комплексы на концевых участках эукариотических хромосом (Ozturk et al., 2013). Само слово «теломера» образовано от греческих «телос» - конец, и «мерос» - часть. История теломер началась в 30-40-х годах 20 века с обнаружения особых свойств концевых участков хромосом Германом Мёллером и Барбарой МакКлинток. Эти свойства заключались в том, что теломеры способны защищать от слияний хромосом концами (Muller, 1938; McClintock, 1941).

Позже было обнаружено, что теломеры защищают хромосомы от действия ферментов системы репарации ДНК (O'Sullivan, Karlseder, 2010), а также от нуклеазной деградации, поскольку нуклеазы распознают простые концы хромосом как двунитевые разрывы (Azzalin, Lingner, 2007). Таким образом, нарушение функций теломер приводит клетки к преждевременному старению, апоптозу и нестабильности генома (O'Sullivan, Karlseder, 2010). Поэтому с нарушениями работы теломер связан широкий спектр заболеваний человека, включая болезни сердца, язвенный колит, цирроз печени, атеросклероз, и ряд синдромов преждевременного старения (Oh et al., 2003; Samani et al., 2001; Wiemann et al., 2002).

Теломерная ДНК человека состоит из двухнитевого района, состоящего из повторов TTAGGG, который заканчивается 100-200 нуклеотидным однонитевым выступом на 3`конце (Riethman, 2008). В настоящее время существует ряд вопросов относительно того, в каком виде представлен этот выступ. Одни группы исследователей считают, что он представлен в виде четырехнитевых структур, образованных гуанином (Xu, Komiyama, 2013); другие – в виде т-петли (Doksani et al., 2013). Четырехнитевые гуаниновые структуры являются стопкой тетрад гуниновых нуклеотидов за счет формирования дополнительных водородных связей (Xu, 2011) (рис. 4 Б ). Т-петля представляет собой особую структуру, похожую на лассо, в которой 3`концевой выступ заворачивается внутрь двунитевого участка теломерной ДНК и так же стабилизируется водородными связями между нуклеотидами (Xu, 2011) (рис. 4 А ). Возможно, в теломерах одновременно существуют обе эти структуры и, согласно объединенной модели, обеспечивают тонкую регуляцию теломер в ответ на изменения условий окружающей среды (Xu, 2008) (рис. 4 В ).

Около 200 белков могут взаимодействовать с теломерами и влиять на их структуру (Dejardin, Kingston, 2009). Но основным является комплекс из 6 белков, называемый шелтерин (от анг. shelter – кров, убежище), связывающийся с повторами ТТАGGG теломер человека. 3 белка этого комплекса - TRF1, TRF2 и POT1 - напрямую распознают теломерные последовательности и связываются с другими, дополнительными белками – TIN2, TPP1, Rap1 (Xu, 2011) (рис. 4 Г ). Белок POT1 может взаимодействовать с теломерными последовательностями только в комплексе с TPP1. Такой комплекс TPP1-POT1 способен разрушать гуаниновые четырехнитевые структуры, что способствует посадке теломеразы и, в дальнейшем, удлинению теломеры (Zaug et al., 2005). Белок TRF2 способствует образованию т-петли и связывается с ней. Функции остальных белков либо неизвестны, либо выполняют вспомогательную роль для TRF2 и TPP1-POT1. В целом, комплекс шелтерин участвует в регуляции работы теломер и их защите (Xu, 2011).

Рис.4. Строение концевой части теломеры: А) Схематичное изображение т-петли. Б) Схематичное изображение 4-нитевой гуаниновой структуры. В) Схематичное изображение модели, сочетающей т-петлю и 4-нитевую гуаниновую структуру. Г) Строение связанного с теломерами комплекса шелтерин, состоящего из 6 белков. (по Xu, 2011)

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Метилирование ДНК – ключевая эпигенетическая модификация генома млекопитающих

Метилирование ДНК

12 3 4 Следующая ⇒