CpG островки и метилирование ДНК в регуляции транскрипции
В геноме млекопитающих CpG встречаются гораздо реже, чем можно было ожидать, исходя из вероятности их встречаемости, рассчитанной на основании G+C соседства в ДНК. Существуют протяженные последователльности с повышенным содержанием этого динуклеотида. Это так называемые CpG островки . Так называют участки ДНК длиной более 200 по с содержанием G+C более 50% и с содержанием CpG динуклеотидов более 60%. Длина промоторов, в которых встречаются островки, около 1 кб. Иногда эти островки могут находиться и в кодирующих частях генов. Вообще их позиция относительно старта транскрипции может сильно меняться от гена к гену. Например, в APOE гене один из экзонов включает в себя длинный CpG островок.
Это определение чисто структурное. Оно ничего не говорит о функциях этих островков. Есть гипотеза, что система метилирования у млекопитающих выработалась в эволюции для предотвращения вредного воздействия вирусов и транспозонов, которые инактивируются при метилировании. Однако более распространена точка зрения, что метилирование важно для контроля экспрессии генов в процессе развития и клеточной дифференцировки.
Зародыш мыши, у которой мутированы оба аллеля гена ДНК метилтрансферазы , осуществляющей метилирование, погибает в середине периода беременности на ранних стадиях развития. В процессе нормального развития цитозины в составе CpG подвергаются ряду метилирований и деметилирований. Эти процессы приводят к установлению определенного распределения метилированных и деметилированных CpG в геноме клеток зародышевого пути и в соматических геномах. Вот как это выглядит у мыши [ Monk, ea 1995 ]:
Вскоре после оплодотворения между стадией 8 клеточного эмбриона и бластоцистой происходит массированное деметилирование, которое удаляет почти все метильные группы из генома. Новое метилирование происходит при имплантации эмбриона и далее при гaструляции, в результате чего CpG островки генов-домохозяек (housekeeping genes) остаются неметилированными, а островки всех тканеспецифических генов метилируются. Деметилирование тканеспецифичных генов затем происходит в процессе клеточных дифференцировок. Это деметилирование возможно нужно, чтобы началась транскрипция тканеспецифичных генов.
Сейчас полагают, что большинство островков ассоциировано с промоторами генов, которые не метилированы в зародышевой линии клеток, и что метилирование CpG участков в них может эффективно и наследуемо выключать гены. Все известные гены-домохозяйки содержат CpG островки в промоторных областях. Их островки составляют половину всех островков в геноме. Другая половина островков находится в промоторах генов, которые экспрессируются тканеспецифично. Островки у генов-домохозяек каким-то образом защищаются от метилирования. Позже в развитии многие ткане- специфичные гены деметилируются в тех типах клеток, где им положено работать.
Метилирование осуществляет практически необратимое регулирование экспрессии генов. Не известно случаев, когда метилированный островок превращался бы в деметилированный после имплантации эмбриона. Таким образом, метилирование необратимо супрессирует один или два аллеля в данном типе клеток на всю последующую жизнь организма. Много данных получено по поводу того, как устанавливается картина метилирования. Но вот что касается деметилирования известно мало. Недавно появилась работа, в которой описывается фермент, способный осуществлять прямое деметилирование 5-метилцитозина [комментарий вы можете посмотреть в ссылке Cedar ea 1999 ]. Может быть окажется, что этот фермент и осуществляет деметилирование.
