Метилирование ДНК: влияние на структуру хроматина
Хроматин существует в двух основных состояних - эухроматина (деконденсирован, потенциально активен, реплицируется в ранней фазе S клеточного цикла ) и гетерохроматина (конденсирован, неактивен, реплицируется в поздней S-фазе ).
Активация генов, входящих в состав неактивного хроматина, требует изменения структуры хроматина и деметилирования ДНК. Обнаружены белковые комплексы, способные реактивировать неактивный хроматин. Деметилирование может происходить пассивно через подавление функционирования поддерживающих Мтаз . В этом случае дочерние цепи ДНК, образующиеся в процессе репликации, остаются неметилированными, что приводит к полному деметилированию ДНК после двух раундов репликации. Активное деметилирование ДНК происходит с участием специфических ферментов - деметилаз .
Гены, входящие в состав неактивного хроматина, в большинстве своем недоступны действию факторов транскрипции. Формирование неактивного хроматина через метилирование специфических последовательностей приводит к уменьшению линейных размеров генома и числа регуляторных последовательностей, доступных факторам транскрипции. Следствием этого является снижение неспецифических взаимодействий регуляторных белков с соответствующими последовательностями генов, что, в свою очередь, уменьшает уровень информационного шума в генетической системе, который может появляться в результате неконтролируемой транскрипции. В этой связи высказывается предположение о важной роли не только генетических, но и видоспецифических эпигенетических изменений в эволюции высших эукариот.
Факторами, в значительной степени определяющими структуру и функции хроматина, являются модификации его компонентов - ацетилирование гистонов (ведет к деконденсации и активации) и метилирование ДНК (ведет, напротив, к конденсации и инактивации) [ Tazi, ea 1990 ]. Таким образом, характерными чертами активного хроматина являются гиперацетилирование гистонов и отсутствие 5-метилцитозина, а неактивного - гиперметилирование цитозина и деацетилирование гистонов. Связь между репрессорным влиянием метилирования ДНК на транскрипцию и деацетилированием гистонов будет рассмотрена ниже.
Действительно, наследуемый характер паттернов метилирования геномной ДНК способствует стабилизации и распространению в популяциях специфических структур хроматина, а изменение паттернов через эпигенетические мутации может быть одним из путей повышения пластичности генетической информации и ее разнообразия, что может служить материалом для естественного отбора.
Примером подавления экспрессии генов путем формирования хроматина, структурированного специфическим образом, является инактивация одной из X-хромосом самок млекопитающих.
Большинство генов неактивной X-хромосомы прекращает свою экспрессию в раннем эмбриогенезе независимо от наличия в ней CpG-последовательностей . При этом метилирование ДНК и ацетилирование гистона H4 усиливают и стабилизируют репрессированное состояние неактивной X-хромосомы.
Регуляторные белки, например, вирусный белок MDBP1 (Major DNA-Binding Protein) и белки человека MeCP1/2 (Methyl-CpG-Binding Protein) [ Meehan, ea 1989 , Meehan, ea 1992 , Lewis. ea 1992 ], а также комплекс белков MDBP2 и гистона H1 . Если белок MeCP2 для своего взаимодействия требует присутствия в соответствующем участке ДНК только одного метилированного CpG, а белок MeCP1 связывается с ДНК лишь при наличии нескольких метилированных динуклеотидов. С использованием специфических антител было установлено, что белок MeCP2 локализован преимущественно в G-полосах гетерохроматина метафазных хромосом. Гомозиготные делеции в гене этого белка летальны для мышей, что указывает на важную роль MeCP2 в эмбриогенезе животных. Комплекс MDBP2-гистон H1 может связываться с участком ДНК, содержащим единственный метилированный CpG, и ингибировать транскрипцию. При этом белково-нуклеиновое взаимодействие усиливается после фосфорилирования белков.
