Роль метилирования ДНК при раковых заболеваниях
Первое открытие того, что ДНК кроме четырех оснований, содержит 5-метилцитозин , непосредственно включенный в ДНК, вскоре привело к предположению, что изменения в метилировании ДНК могут играть роль в онкогенезе ( табл. 24.2 ). В течение нескольких последних десятилетий было проведено много исследований, которые показывали различия в паттернах распределения 5-метилцитозина ДНК человека между раковыми и нормальными клетками. Среди них есть как минимум три основных способа, с помощью которых метилирование CpG может участвовать в онкогенном фенотипе. Они включают в себя гипометилирование ракового генома, локальное гиперметилирование промоторов генов-супрессоров опухоли и прямой мутагенез ( рис. 24.1 ) ( Jones and Laird, 1999 ; Jones and Baylin, 2002 ; Herman and Baylin, 2003 ). Хотя каждое из этих отклонений само по себе могло бы способствовать возникновению раковых заболеваний у человека, может быть, особенно важно то, что они все имеют место одновременно, показывая, таким образом, что нарушения гомеостаза эпигенетических механизмов - это главные причины, вызывающие рак у людей.
Наиболее известное и раньше других установленное изменение в паттернах метилирования ДНК у раковых клеток - это общее уменьшение данной модификации, приводящее к нестабильности генома (дополнительное обсуждение см. в главе " Метилирование ДНК у млекопитающих "). Хорошо известно, что это является ключевым признаком рака у человека ( Feinberg and Vogelstein, 1983 ; Feinberg et al., 1988 ; Jones and Laird, 1999 ; Jones and Baylin, 2002 ; Herman and Baylin, 2003 ). В более поздний период времени возрастающий объем данных показал, что аномальное метилирование островков CpG в 5'-районах генов, относящихся к раковым заболеваниям, является составной частью их транскрипционного сайленсинга , обеспечивая альтернативный механизм мутаций для инактивации генов с функциями подавления опухоли ( Jones and Laird, 1999 ; Jones and Baylin, 2002 ; Herman and Baylin, 2003 ). Наконец, в дополнение к вышеописанной роли метилирования цитозина в дестабилизации генома и генном сайленсинге, 5-метилцитозин сам по себе является высоко нестабильным и, поэтому, мутабельным основанием. Это напрямую может вносить свой вклад в развитие раковых заболеваний, вызывая мутации типа транзиций, при которых meCpG превращается в TpG ( Rideout et al., 1990 ). Тот факт, что эти модификации столь распространены при раковых заболеваниях, и, как сейчас известно, приводят напрямую к канцерогенезу , также создает новые возможности терапевтической реверсии, направленной на эпигенетические изменения ( Egger et al., 2004 ).
Таким образом, в настоящее время признается, что критическую роль в канцерогенезе человека играет метилирование цитозина в ДНК . Почти все гены человека содержат остатки метилированного цитозина в своих кодирующих областях, для которых в течение некоторого времени известно непропорциональное участие в образовании болезнетворных мутаций. Метилирование 5 углерода в цитозиновом кольце повышает частоту гидролитического дезаминирования этого основания в двунитевой ДНК. Однако продуктом дезаминирования 5-метилцитозина является тимин, а не урацил ( рис. 3.12 ). Механизмы репарации ДНК впоследствии менее эффективны при восстановлении неправильных сочетаний оснований в ДНК, вызванных дезаминированием. Известно, что метилированные сайты CpG производят более 1/3 всех мутаций типа транзиций , возникающих в зародышевой линии человека ( Rideout et al., 1990 ). Это также справедливо для генов, вызывающих рак, таких как р53 ( Rideout et al., 1990 ). Более удивительным является наблюдение, что этот механизм также принимает существенное участие в образовании инактивирующих мутаций в генах-супрессорах опухоли в соматических тканях. Например, более 50% всех мутаций р53, которые приобретаются при спорадических раковых заболеваниях толстой и прямой кишки , имеют место в сайтах метилирования цитозина ( Greenblatt et al., 1994 ). Таким образом, модификация ДНК ДНК-метилтрансферазами ( DNMTs ) существенно повышает риск получения рака с помощью такого эндогенного механизма.
Было также показано, что метилирование цитозиновых остатков поддерживает образование канцерогенных аддуктов присоединения между ДНК и канцерогенами, такими как бензопирен из сигаретного дыма . В этом случае, метилирование цитозинового остатка повышает образование канцерогенных аддуктов между соседним гуаниновым остатком и бензопирендиолэпоксидом, приводящее к повышению вероятности мутаций в сайтах CpG в легких курильщиков ( Greenblatt et al., 1994 ; Pfeifer et al., 2000 ). Интересно, что метилирование может также изменять частоту мутаций в гене р53 в коже, экспонированной солнечному свету ( Greenblatt et al., 1994 ; Pfeifer et al., 2000 ). Это происходит из-за того, что метиловая группа смещает спектр поглощения цитозина в диапазон падающего солнечного света, тем самым повышая образование пиримидиновых димеров в ДНК клеток кожи. Таким образом, эта эпигенетическая модификация ДНК не только повышает спонтанный мутагенез, но также может влиять на то, как ДНК взаимодействует с канцерогенами и ультрафиолетом ( Pfeifer et al., 2000 ).
Гипометилирование ДНК, которое было давно отмечено в опухолях животных и человека ( табл. 24.2 ), влияет на стабильность хромосом и повышает шанс анеуплоидии . Геномная нестабильность - это признак ракового заболевания, и повышенная ломкость хромосом, вызываемая гипометилированием саттелитных и других последовательностей, может, по- видимому, приводить к образованию раковых заболеваний путем уменьшения стабильности генома ( Narayan et al., 1998 ; Gaudet et al., 2003 ). Конкретные механизмы, с помощью которых достигается эта нестабильность, все еще не полностью поняты, но они легко могут быть результатом измененных взаимодействий ДНК и белков, вызванных гипометилированием.
