эпигенетика

Метилирование ДНК — наиболее распространенный тип эпигенетической модификации, при котором к нуклеотидам ДНК ковалентно присоединяется метильная группа (CH3). Обычно метилируется цитозин, реже — аденин. Наиболее часто процесс метилирования сосредоточен в специфических участках ДНК, называемых CpG-островками — скоплениях пар нуклеотидов цитозин-гуанин, соединенных фосфатной группой. Они в основном находятся в промоторных районах генов, которые являются стартовыми точками для начала процесса транскрипции.

Также стоит отметить, что количество метильных меток на CpG-островках увеличивается с возрастом организма, и это можно использовать для определения эпигенетического возраста организма.

Рис. 1.
Химическое строение Цитозина и 5’-метилцитозина

Метильные метки на нуклеотиде делают эту букву нефункциональной. Что будет с активностью гена, если с течением времени в точках начала транскрипции будет накапливаться заблокированные нуклеотиды? Это будет вести к подавлению активности гена, то есть к его замалчиванию — сайленсингу. Заметилированный Цитозин, или же 5-метилцитозин (рисунок 1), из-за реакций замещения азота кислородом может превращаться в Тимин, а это уже приводит к мутации последовательности ДНК, а мутация генетического материала влечет изменение или потерю функции белка [1-2].

Метилирование гистонов

В регуляции активности генов участвуют процессы модификации ядерных белков — гистонов, которые помогают упаковать ДНК в хромосомы. Метилирование гистонов влияет на расположение ДНК в пространстве, и либо усиливает, либо ослабляет экспрессию гена. На экспрессию также влияют аминокислоты, которые были метилированы, и количество присоединенных метильных групп.

Модификации, которые ослабляют химическое притяжение между хвостами гистонов и ДНК, увеличивают транскрипцию, так как раскрученные от нуклеосом ДНК более открыты для связывания с транскрипционными факторами [3-4].

Метильные метки передаются с делением клеток от материнской клетки к дочерним. Это означает, что изменения, произошедшие в результате метилирования, могут быть долгосрочными и влиять на работу генов во всем организме [3].

Так, у женщин в генотипе присутствуют две X-хромосомы, в то время как у мужчин есть X и Y-хромосомы. Чтобы избежать «избытка» белковых продуктов генов от X-хромосом, у женщин происходит процесс инактивации одной из X-хромосом. Во время инактивации X-хромосома, выбранная случайно, «замолкает» и формирует структуру, известную как тельце Барра. В результате у женщины в каждой клетке будет активна только одна из двух X-хромосом.

Инактивация происходит у всех самок млекопитающих. Но у плацентарных, например, человека, инактивируется случайная X-хромосома, а у сумчатых, например, кенгуру — определенная, отцовская. Инактивированные Х-хромосомы становятся транскрипционно молчащими благодаря механизмам метилирования, дабы избежать чрезмерной экспрессии генов. Метильные метки на молчащей хромосоме передаются из поколение в поколение – каждые потомки инактивированной хромосомы будут сохранять нефункциональное состояние.

Другая важная функция метилирования — дифференцировка клеток. Во время эмбрионального развития, многоклеточный организм развивается из зиготы, претерпевающей ряд последовательных делений, чьи дочерние клетки постепенно превращаются в более специализированные. Чтобы придать клетке специфичной функции, ненужные гены должны быть отключены, поэтому нужна модификация нуклеотидов. Мышечным клеткам — миоцитам, не нужны белки нервных клеток — нейронов, поэтому они выключаются эпигенетическими модификациями. И такие изменения наследуются при каждом раунде репликации ДНК [3, 5].

На ранних этапах развития организма закономерности метилирования устанавливаются двумя похожими ферментами из семейства ДНК-метилтрансферах — DNMT3A и DNMT3B. Во время репликации ДНК, предшествующей делению клеток, метильные метки сохраняются при помощи «поддерживающего» фермента семейства метилтрансфераз, который пришивает метильные метки на вновь синтезированную цепь. Так клетки поддерживают свою специфичную дифференцировку на генетическом уровне.

Несмотря на то, что метилирование ДНК способствует стабильному и долгосрочному наследственному сайленсингу генов в некоторых случаях важны процессы деметилирования — удаления метильных меток из цепи ДНК (рисунок 2). Деметилирование нужно, чтобы избежать наследования молодым организмов всех метильных меток, накопленными родителями, чтобы начинать со стартового уровня тотипотентной зиготы, способной становится любой клеткой. Процесс деметилирования может идти по двум сценариям — активному и пассивному [5-6].

Рис. 2.
Механизмы метилирования и деметилирования двухцепочечной молекулы ДНК [6].

Активное деметилирование ДНК происходит под действием фермента, катализирующего удаление метильной группы из 5-метилцитозина. Активное деметилирование происходит в ядрах отцовских половых клеток в течение 4-8 часов после оплодотворения яйцеклетки. Отцовский геном быстро подвергается активному деметилированию по всему геному и становится «чистым» после нескольких раундов клеточного деления.

Пассивное деметилирование означает потерю метильной группы при отсутствии или ингибирования поддерживающего фермента DNMT1 во время последовательных раундов репликации. В то время как отцовский геном подвергается обширному активному деметилированию, материнский остается метилированным, даже несмотря на факт воздействия тех же факторов. Это может быть связано с механизмом, защищающим материнский геном от волны деметилирования из-за организации генетического материала в гистонах, несущих определенные модификации.

Итак, потеря метилирования в материнском геноме происходит постепенно с каждым процессом репликации ДНК в условии отсутствия фермента DNMT1, пришивающим метильные метки [5-7].

Деметилирование механизмами репарации. Предполагалось, что деметилирование достигается благодаря эксцизионной репарации оснований (BER, Base Excision Repair) — механизм репарации ДНК, удаляющий из двойной цепи поврежденные азотистые основания. В этом типе репарации участвует фермент ДНК-гликозилаза, которая удаляет целевое основание, в результате чего образуется апуриновый/апиримидиновый сайт, или участок без азотистого основания, который заполняется полимеразами репарации ДНК и лигазами. Следует отметить, что активное деметилирование и может быть осуществлено с помощью ДНК-гликозилазы, которая вырезает 5’-метилцитозин, чтобы инициировать эксцизионную репарацию оснований. Ещё один предполагаемый путь деметилирования — реакция дезаминирования 5-метилцитозина в Тимин с инициацией BER.

Другой путь репарации ДНК также может быть предложен в качестве демитилирующего — эксцизионная репарация нуклеотидов (NER, Nucleotide Excision Repair). В отличие от BER, NER используется для восстановления ДНК, содержащей объемные повреждения, образующиеся после воздействия химических веществ или радиации. После распознавания поврежденной ДНК, ферментами осуществляются двойные разрезы и высвобождается олигомер из 24-32 нуклеотидов. Образовавшийся пробел заполняется репарирующими полимеразами и закрывается лигазой [6].

Эпигенетические механизмы необходимы для развития вида с самого момента его зачатия. Если бы все гены в каждой клетке экспрессировались одновременно — это привело бы к появлению недифференцированной биологической белковой каши. Цитогенетическая работа клетки довольно оптимизирована благодаря миллионам лет эволюции: тканеспецифичные гены широко экспрессируются, тогда как ненужные выключаются. Метилирование гистоновых белков также может влиять на экспрессию генов, но имеет больше нюансов по сравнению с метилированием оснований ДНК. Также метилирование ДНК является одним из биомаркеров старения, ведь имеет тенденцию увеличиваться с возрастом. Ученые сегодня изучают использование эпигенетических механизмов для перепрограммирования клеток [8].