Метилирование ДНК: общие сведения
Метилирование ( methylation) - это химическая модификация, катализируемая ферментом, реакция добавления метильных группп (CH3) на специфические сайты белков, ДНК и РНК.
Одна из форм метилирования, наиболее распространенная у млекопитающих, представляет собой превращение цитозина в 5-метилцитозин в последовательности CpG . Метилирование может предотвращать расщепление ДНК в сайте узнавания рестрикционного фермента . Например, рестриктаза Hpall расщепляет CCGG , но не Cm5CGG .
Реакция ДНК-метилирования катализируется ферментом ДНК-метилтрансферазой, который осуществляет перенос метильной группы с S-аденозилметионина на цитозин, стоящий перед гуанином. У человека и большинства млекопитающих ДНК-метилирование - естественная модификация ДНК, и воздействует только на основание цитозин (С), стоящий перед гуанином (G), т.е. метилирование происходит только в CpG-динуклеотидах.
У растений 5-метилцитозин можно обнаружить в динуклеотидах CG и тринуклеотидах CNG (Т-С, A или Т).
70-80% всех CpG-динуклеотидов в человеческом геноме метилированы. Однако в нормальной ткани метилирование происходит, прежде всего, в областях, где плотность CpG динуклеотидов низка, и большинство CpG - островков в норме полностью неметилированы. Но есть исключения из этого правила: метилированные промоторные области генов на инактивированной Х хромосоме, например, ген FMR1 ( Li et al 1993 , Singer-Sam et al. 1993 ) и импринтированные гены. Так экспрессия таких генов как IGF2 , SNRPN , Znf-21 , Par-5 идет только с отцовской хромосомы, а WT1 , Mash2 , p57 - только с материнской.
Также профиль метилирования может меняться в течение жизни организма. Некоторые гены, экспрессирующиеся в эмбриональном периоде, перестают функционировать к моменту рождения особи. А для таких генов как ген E-CAD и ген DBCCR1 показано метилирование в нормальных тканях по мере старения организма.
Функция ДНК метилирования до сих пор не полностью ясна. За последние годы было предложено несколько версий роли ДНК метилирования: контроль экспрессии гена, контроль целостности хромосомы, контроль пререкомбинантных событий. Гипотезой о роли ДНК-метилирования в геноме является предположение о том, что это защитный механизм против встраивания в геном "паразитных" последовательностей типа ретровирусных элементов ( Issa, 1994 ). К структурам, обеспечивающим этот процесс, относятся: несколько ДНК-метилтансфераз, деметилазы, центры метилирования, которые инициируют метилирование, и вероятно, связаны с необычными третичными структурами ДНК. Эмбрионы мышей, несущие нонсенс мутацию в гене метилтрансферазы, не развиваются дальше 8-го сомита, но при этом наблюдается низкий, но постоянный уровень метилцитозина. Это может говорить о том, что имеются и другие гены, обеспечивающие метилирование.
Метилированные основания в ДНК обнаружены свыше 50 лет назад [ Hotchkiss, ea 1948 ]. ДНК прокариот содержит модифицированные основания N6-метиладенин и 5-метилцитозин , тогда как ДНК высших эукариот - в основном 5-метилцитозин [ Wyatt, ea 1951 , Shapiro, ea 1960 , Doscocil, ea 1965 , Vanyushin, ea 1970 , Vanyushin, ea 1968 ]. Метилирование остатков цитозина ДНК имеет место у бактерий, растений, животных, в том числе млекопитающих (включая человека), но отсутствует у дрожжей, нематод и дрозофилы [ Мазин ea 1984 , Мазин ea 1989 , Doerfler, ea 1983 , Bird, ea 1995 ].(Обнаружено, что в ДНК дрозофилы содержится 5-метилцитозин ( Growher, Н., Leismann. О.,, 2000 )
Метилирование осуществляется ферментативно в первые минуты после репликации ДНК, т.е. пострепликативно. Поскольку нуклеотидная последовательность ДНК при этом не меняется, метилирование по сути своей - событие эпигенетическое [ Baylin, ea 1998 ]. Оно, хотя и является стабильной и наследуемой модификацией, в принципе обратимо под воздействием деметилирующих агентов или ферментов и тем самым принципиально отличается от мутаций ДНК. В общебиологическом плане феномен метилирования является элементом системы распознавания "свой-чужой". Благодаря существующей в бактериях системе метилирования-рекогниции ( рестрикции-модификации ) клетки способны идентифицировать свой генетический материал и отличать его от инородных молекул, проникших в клетку тем или иным способом. Уничтожение последних позволяет поддерживать генетическую стабильность вида. Иногда один фермент имеет две активности - метилазную и эндонуклазную: в большинстве случаев определенный сайт ДНК распознается двумя ферментами, один из которых метилирует его, а другой расщепляет. В целом система функционирует таким образом, что метилазы "метят" специфические последовательности собственной ДНК, а чувствительные к метилированию рестрикционные эндонуклеазы узнают и расщепляют те из последовательностей. которые соответствующей метки не имеют. Так, бактериальная клетка защищает себя от вторжения чужеродных молекул. Например, ДНК проникшего в бактериальную клетку фага расщепляется в определенных сайтах специфическими эндонуклеазами, в то время как те же последовательности в собственной ДНК защищены от расщепления, поскольку метилированы [ Noyer-Weidner, ea 1993 ].
Роль метилирования ДНК как компонента клеточной "иммунной системы", предназначенной для уничтожения чужой или излишней ДНК (или подавления ее функций), сохраняется по-видимому, на протяжении эволюции, но конкретные механизмы реализации этой задачи могут быть существенно иными [ Bestor, ea 1990 ]. Например, клетки Neurospora элиминируют нежелательные повторяющиеся последовательности посредством интенсивного их метилирования, за которым следует накопление точковых мутаций из-за высокой мутабельности остатков 5-метилцитозина [ Selker, ea 1993 ]. Подобным же образом в клетках грызунов и человека интегрированные вирусные последовательности могут подвергаться метилированию и обусловленному им стабильному блоку транскрипции [ Doerfler, ea 1993 ]. Известно также, что инактивации тем же способом нередко подвергаются трансгены у мышей [ Sasaki, ea 1993 ].
В широком эволюционном плане переходы от прокариот к эукариотам и от беспозвоночных к позвоночным сопровождались, по-видимому, резким увеличением числа генов [ Bird, ea 1995]. Эти драматические изменения вызвали к жизни, видимо, и новые способы ограничения нежелательной активности "лишних" генов - формирование ядерной мембраны и нуклеосомную организацию хроматина в первом случае, функциональную переориентацию системы метилирования - во втором. Если у беспозвоночных она сводилась к подавлению активности потенциально опасных последовательностей ДНК (таких как вирусы и транспозоны), то у позвоночных ее назначение - еще и стабильная репрессия эндогенных генов (гены инактивированной хромосомы X, импринтированные гены, часть тканеспецифичных генов). Профиль метилирования, сильно влияющий на функциональное состояние гена, стабильно передается в ряду клеточных поколений. С этой точки зрения, для организмов с большой продолжительностью жизни и интенсивной тканевой регенерацией (позвоночные, растения) надежная система эпигенетической наследственности (типа метилирования ДНК) жизненно необходима. В противоположность этому у маленьких животных и животных с малой продолжительностью жизни, т.е. в ситуациях, когда значительное новообразование клеток отсутствует. такой необходимости нет. Предполагают, что именно этим обстоятельством объясняется отсутствие системы метилирования ДНК у нематод и дрозофилы [ Jablonka. ea 1995 ].
