Эпигенетическая регуляция экспрессии генов, метилирование и рак
При делении во время митоза дочерние клетки могут наследовать от родительских не только прямую генетическую информацию в виде новой копии всех генов, но и определенный уровень их активности. Такой тип наследования генетической информации получил название эпигенетического наследования . Эпигенетика изучает наследуемые особенности ( паттерны ) экспрессии генов, вызываемые потенциально обратимыми изменениями структуры хроматина и(или) метилирования ДНК, не сопровождаемые изменениями ее первичной структуры.
Под эпигенетической регуляцией понимают механизмы изменения экспрессии генов, не затрагивающие последовательность нуклеотидов в ДНК.
Инактивация одной из Х-хромосом в клетках женского организма - пример эпигенетического подавления экспрессии генов. На аутосомах либо экспрессируются оба аллеля каждого гена, либо происходит инактивация одного из аллелей. Избирательное выключение транскрипции некоторых участков хромосом, унаследованных от одного из родителей, происходит в процессе эмбрионального развития, и в этих участках экспрессируются только аллели, унаследованные от другого родителя. Зависимость уровня экспрессии аллеля от того, унаследован он от отца или от матери, называют геномным импринтингом . Основную роль в геномном импринтинге, вероятно, играет метилирование ДНК.
Роль эпигенетической регуляции в развитии злокачественных новообразований у человека остается неясной. Однако в опухолевых клетках нередко наблюдается снижение уровня метилирования ДНК. Кроме того, у детей при нефробластоме ( опухоли Вильмса ) обнаружена утрата импринтинга гена ИФР-II (сегмент 11р15-5), материнский аллель которого в норме не экспрессируется. Утрата импринтинга и, как следствие, избыточный синтез этого фактора роста предрасполагают к опухолевой трансформации. В опухолевых клетках тотальное деметилирование генома, нередко сочетается с локальным гиперметилированием. Последнее распространяется на относительно небольшую часть (около 20%) динуклеотидов CpG и именно тех, которые образуют CpG-островки , неметилированые в нормальных клетках и расположеные вблизи регуляторных участков. Такого рода изменения, являются характерными для опухолевых клеток, и рассматриваются в качестве одного из главных механизмов инактивации генов-супрессоров [ Baylin, ea 1998 , Toyota, ea 1999 ]. См. табл. 2.
Опухолевые клетки характеризуются масштабными изменениями системы метилирования ДНК: общим деметилированием генома, увеличением активности ДНК-метилтрансферазы локальным гиперметилированием [ Baylin, ea 1998 , Jones, ea 1996 , Laird, ea 1994 ] . Отмеченные сдвиги внешне противоречивы и трудно, например, согласовать увеличение активности ДНК- метилтрансферазы и локальное гиперметилирование генома, с одной стороны, общим его деметилированием - с другой. Противоречия до некоторой степени снимаются при более детальном выяснении природы этих изменений. Оказывается, что деметилирование распространяется на рассеянные CpG (их относительное содержание велико, ~80% общего числа и они метилированы в нормальных клетках) тогда как локальное гиперметилирование - на CpG-островки (их меньше и они, за известными исключениями, в нормальных клетках неметилированы). Очевидно поэтому, что метилирова-ние CpG-островков не компенсирует деметилирование рассеянных CpG, что обусловливает конечный результат - тотальное деметилирование генома. Таким образом, существующие в нормальных клетках реципрокные отношения между степенью метилирования островков и рассеянных CpG в опухолевых клетках сохраняются, но в этом случае "коромысло" метилирования кренится в иную сторону - метилируются до того свободные островки и деметилируются рассеянные CpG ( рис. 7 ).
Характерное для опухолевых клеток повышение активности ДНК- метилтрансферазы может быть одним из факторов, способствующих аберрантному метилированию CpG-островков. См. Локальное гиперметилирование CpG-островков при опухолеобразовании
Науке давно известны онкогены - гены, которые "запускают" процесс образования раковой опухоли. Эти гены выключены в нормальных здоровых клетках за счет метилирования промоторов этих генов - островков CpG (цитозин и гуанин в цепи ДНК находятся рядом и соединены фосфором, таких оснований в одном островке может быть от 200 до несколько тысяч, примерно 70% промоторов всех генов имеют эти островки). Ацетальдегид алкоголя и многие ингредиенты табака ингибируют образование метильных групп на ДНК, это включает "спящие" онкогены, они начинают работать, превращая клетки в раковые. Известно, что до 60% всех мутаций в половых клетках приходится именно на островки CpG, что нарушает правильную эпигенетическую регуляцию генома. Метальные группы попадают в наш организм с пищей, через пути фолиевой кислоты и метиониновой аминокислоты . Эти две кислоты не вырабатываются нашим организмом, поэтому должны постоянно поступать с пищей. Если пища бедна ими, то нарушение процессов метилирования ДНК неизбежно.
Известный канадский исследователь рака Моше Зиф (Moshe Szyf) из Университета Макгилла также разделяет революционные идеи эпигенетики: "В противоположность генетическим мутациям эпигенетические изменения потенциально обратимы. Мутировавший ген скорее всего никогда не сможет вернуться в нормальное состояние. Единственное решение в данной ситуации - вырезать или дезактивировать этот ген во всех клетках, которые его несут. Гены же с нарушенным паттерном метилирования, с измененным эпигеномом могут быть возвращены к норме, и довольно просто. Уже существуют эпигенетические лекарства, например 5-азацитидин (коммерческое название - видаза ), разрешенный Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) и представляющий собой неметилированный аналог цитидина, нуклеозида ДНК и РНК, который, встраиваясь в ДНК, снижает ее уровень метилирования. Это лекарство используется сейчас против миелодиспластического синдрома , известного также, как прелейкемия".
Сейчас уже полным ходом идет коммерческое освоение этой области. Так, немецкая биотехкомпания Epigenomics в сентябре этого года собирается выпустить на рынок целую серию инновационных скрининг-тестов, позволяющих заблаговременно диагностировать предрасположенность к разным видам онкологических заболеваний (от опухолей простаты, толстого кишечника до рака легких) и саму болезнь на разных стадиях ее развития по эпигенетическим изменениям в организме, основанных на ДНК- метилировании. В этом же направлении работают и десятки других компаний, например Roshe Pharmaceuticals, MethylGene, NimbleGen, Sigma-Aldrich, Epigentek. Более того, в 2003 г. был инициирован международный проект под названием "Эпигеном человека" (Human Epigenome Project, HEP). К данному моменту ученые смогли расшифровать вариабельные локусы метилирования ДНК на трех хромосомах человека: 6, 20 и 22. Впереди еще 20 хромосом.
