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 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
Метилирование ДНК — это модификация молекулы ДНК без изменения самой нуклеотидной последовательности ДНК, что можно рассматривать как часть эпигенетической составляющей генома.
Метилирование ДНК заключается в присоединении метильной группы к цитозину в составе CpG-динуклеотида в позиции С5 цитозинового кольца.
Метилирование ДНК считается, в основном, присущим эукариотам. У человека метилировано около 1 % геномной ДНК. В соматических клетках взрослого организма метилирование ДНК обычно происходит в CpG-динуклеотидах; метилирование ДНК вне CpG-динуклеотидов встречается в эмбриональных стволовых клетках.[1] [2]
У растений метилирование цитозина происходит как симметрично по обеим цепям (на CpG или CpNpG), так и асимметрично лишь на одной из двух цепей (на CpNpNp, где N обозначает любой нуклеотид).
Метилирование днк у млекопитающих
Около 60-70 % всех CpG-динуклеотидов у млекопитающих метилированы. Неметилированные CpG-динуклеотиды сгруппированы в т. н. «CpG-островки», которые присутствуют в 5' регуляторных областях многих генов. Различные заболевания, например, рак, сопровождаются начальным аномальным гипометилированием ДНК и последующим гиперметилированием CpG-островков в промоторных областях генов, что приводит к устойчивой репрессии транскрипции. Репрессия транскрипции в этом случае опосредована белками, которые способны связываться с метилированными CpG-динуклеотидами. Эти белки, называемые метилцитозин-связывающими белками, привлекают деацетилазу гистонов (HDAC) и другие факторы, участвующие в ремоделировании хроматина. Сформировавшийся комплекс может модифицировать гистоны, формируя конденсированную транскрипционно не активную структуру гетерохроматина. Влияние метилирования ДНК на структуру хроматина имеет большое значение для развития и функционирования живого организма. В частности, отсутствие метилцитозин-связывающего белка 2 (MeCP2) вследствие, например, мутации в соответствующем гене, приводит к развитию синдрома Ретта у человека; инактивация метилцитозин-связывающего доменного белка 2 (Methyl-CpG binding domain protein 2 — MBD2), который участвует в репрессии транскрипции гиперметилированных генов, отмечена при онкологических заболеваниях.
У млекопитающих метилирование ДНК служит цели стабильного функционального подавления части генетического материала ( silencing ). У млекопитающих на протяжении всей жизни животного функционирует относительно малая доля генома (~5%), тогда как большую его часть составляет генетический балласт (Junk DNA). Последний подвергается интенсивному метилированию. Активация метилирования, кроме того, отмечена при различных процессах, приводящих к появлению новой ДНК: трансфекция ДНК, разного рода дупликации инициируют процесс модификации появившихся копий. Особой стимулирующей активностью в этом отношении обладают инвертированные повторы [ Selker, ea 1999 ]. Таким образом, повторяющиеся последовательности, с одной стороны, и присутствие 5- метил-цитозина, с другой, - характерные и взаимосвязанные признаки эукариотических геномов. Одни повторы, накапливавшиеся в геноме человека на протяжении эволюции, по-видимому, функционально бесполезны, другие (транспозоны) потенциально опасны. Естественно поэтому, что они сильно метилированы и, как следствие, неактивны, их транскрипция чревата для клетки метаболическим хаосом. Метилированные участки "ущемлены" и в другом отношении - они позже, чем активные последовательности, реплицируются в фазе S клеточного цикла [ Goldman, ea 1984 , Hatton, ea 1988 , Schmidt, ea 1990 ]. Что касается конкретного механизма блока транскрипции, индуцированного метилированием, то он опосредован изменением структуры хроматина.
[Править] Метилирование днк у человека
У человека за процесс метилирования ДНК отвечают три фермента, называемые ДНК-метилтрансферазами 1, 3a и 3b (DNMT1, DNMT3a, DNMT3b), соответственно. Предполагается, что DNMT3a и DNMT3b — это de novo метилтрансферазы, которые осуществляют формирование паттерна метилирования ДНК на ранних стадиях развития, а также его изменения в процессе дифференцировки клеток. Существует гипотеза о том, что метилирование ДНК de novo вызывается, в частности, интерферирующими РНК при помощи РНК-зависимого метилирования ДНК — процесса, возникшего в ходе эволюции с целью репрессии мобильных элементов генома.[3] DNMT1 является ДНК-метилтрансферазой, которая поддерживает метилированное состояние ДНК, присоединяя метильные группы к одной из цепей ДНК в точках, где другая, комплементарная ей цепь, метилирована. Белок DNMT3L гомологичен другим DNMT-белкам, но не имеет каталитической активности. Вместо этого, DNMT3L поддерживает de novo метилтрансферазы, способствуя связыванию этих ферментов с ДНК и стимулируя их активность.
Важными этапами в развитии злокачественных новообразований является предварительное гипометилирование ДНК [4] и последующая инактивация генов-супрессоров опухолевого роста. В случае, когда инактивация была обусловлена метилированием промоторной области гена, проводились эксперименты по возобновлению экспрессии путём ингибирования DNMT. 5-aza-2'-дезоксицитидин (децитабин) является нуклеозидным аналогом, ингибирующим DNMT метилтрансферазы. Механизм действия препарата основан на ковалентном связывании фермента в комплексе с ДНК, что делает невозможным выполнение ферментом своей функции и приводит к деградации метилтрансферазы. Однако для того, чтобы децитабин был активен, он должен встроиться в геном клетки, но это, в свою очередь, может вызвать мутации в дочерних клетках, если клетка не погибает и продолжает деление. К тому же, децитабин токсичен для костного мозга, что сужает область его терапевтического применения. Эти ограничения привели к интенсивному поиску методов терапевтического воздействия, основанных на использовании «антисмысловых» РНК, которые противодействуют DNMT посредством деградации её мРНК и, следовательно, блокируют трансляцию. Тем не менее, по-прежнему остаётся открытым вопрос о том, является ли ингибирование функции DNMT1 достаточным условием для увеличения экспрессии генов-супрессоров, негативная регуляция транскрипции которых осуществляется метилированием ДНК.