научная статья по теме ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИЙ МУТАГЕНЕЗ КАК ПРОГРАММА ВОЗРАСТНОЙ ДИСФУНКЦИИ БЕЛКОВ И СТАРЕНИЯ Биология

Текст научной статьи на тему «ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИЙ МУТАГЕНЕЗ КАК ПРОГРАММА ВОЗРАСТНОЙ ДИСФУНКЦИИ БЕЛКОВ И СТАРЕНИЯ»

ОНТОГЕНЕЗ, 2015, том 46, № 2, с. 102-113

== МЕХАНИЗМЫ НОРМАЛЬНОГО

И ПАТОЛОГИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ ТКАНЕЙ

УДК 577.152.211

ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИЙ МУТАГЕНЕЗ1 КАК ПРОГРАММА ВОЗРАСТНОЙ ДИСФУНКЦИИ БЕЛКОВ И СТАРЕНИЯ

© 2015 г. Г. А. Романов*, **, В. С. Суховеров***, Б. Ф. Ванюшин*

*Институт физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского МГУ им. М.В. Ломоносова

119991 Москва, Ленинские горы **Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук 127276, Москва, ул. Ботаническая 35, тел. (499)977-94-09, факс (499)977-80-18 ***Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук 117997, Москва, ул. Профсоюзная, 65 E-mail:gromanov@yahoo.com; vanyush@genebee.msu.ru; suhoverv@ipu.ru Поступила в редакцию 04.09.2014 г.

Окончательный вариант получен 29.09.2014 г.

Метилирование ДНК играет важную полифункциональную роль в онтогенезе человека и млекопитающих. Одним из следствий метилирования ДНК является резкое повышение вероятности мутационной замены в геноме динуклеотида CpG на динуклеотид TpG. Нами охарактеризован весь спектр (17) возможных мутаций ДНК и белков, обусловленных метилированием CpG-динуклеоти-да в ДНК; выделены 3 наиболее опасные мутации, способные приводить к инактивации белков. Создана компьютерная программа, позволяющая прогнозировать все наиболее вероятные мутации в анализируемом гене и кодируемом им белке. На примере генов человека и ряда млекопитающих показано, что число потенциально опасных сайтов эпигенетического мутагенеза в экзонах резко снижено в результате эволюции геномов. Но при этом установлены невынужденное сохранение таких сайтов и их персистентность, что указывает на наличие заложенной в геноме эпигенетической программы возрастной дисфункции белков, ведущей к апоптозу и старению; эта программа базируется на наборе и позиции метилируемых кодонов в экзонных участках генов. Предполагается, что программа эпигенетического мутагенеза ограничивает продолжительность жизни индивидуума, ускоряя освобождение популяции от особей-долгожителей, завершивших репродуктивный период.

Ключевые слова: ген, белок, эпигенетический мутагенез, метилирование, дезаминирование, геном, мутация, CpG-сайт.

DOI: 10.7868/S047514501502007X

ВВЕДЕНИЕ

Поиск и расшифровка молекулярных и физиологических механизмов финализации онтогенеза (старения) имеют большое научное и практическое значение (Анисимов, 2008). На молекулярном уровне старение объясняют главным образом с помощью одной из двух конкурирующих гипотез: либо стохастическим накоплением дефектов у макромолекул, в первую очередь ДНК, либо реализацией записанной в геноме программы, которую в принципе можно "отключить", задерживая наступление старости и смерти (Longo et al., 2005; Trindale et al., 2013). В настоящей статье мы покажем, что обе эти конкурирующие гипоте-

1В данной работе термин "Эпигенетический мутагенез"

означает мутагенез белков, обусловленный метилировани-

ем кодирующей ДНК.

зы могут реализоваться на базе единого механизма, связанного с эпигенетическим мутагенезом.

Известно, что ДНК большинства ныне живущих видов подвергается энзиматической модификации (Ванюшин, 2005). В частности, у млекопитающих и человека примерно каждый двадцатый остаток цитозина в ДНК метилирован с преобразованием в остаток 5-метилцитозина (m5C). m5C распределен в геноме не случайно, а находится главным образом в последовательности (5') m5CpG (3'), которая в двутяжевой ДНК представляет собой динуклеотидный палиндром. В генах млекопитающих подавляющая часть ди-нуклеотидов CpG метилирована (Романов, Ванюшин, 1980; Romanov, Vanyushin, 1981; Mazin, Vanyushin, 1987; Mazzio, Soliman, 2012). Это позволяет определить наиболее вероятную локализа-

цию m5C в генах, если известна их нуклеотидная последовательность.

Роль метилирования ДНК в процессах онтогенеза многообразна, одной из важнейших функций этой модификации ДНК считается регуляция активности генов и локусов генома (Ванюшин, 2005). Метилирование ДНК существенно изменяется при старении и злокачественном перерождении клеток (Romanov, Vanyushin, 1981; Mazin, 2009; Calvanese et al., 2009). При этом роли метилирования ДНК в накоплении конкретных мутаций в геноме и связанных с этим возрастных дисфункциях уделялось недостаточное внимание, хотя предположение о возможном участии метилирования ДНК в запрограммированной дезинтеграции генома при апоптозе и старении ранее уже выдвигалось (Mazin, 2009). Как правило, исследования биологической роли метилирования ДНК фокусировались на регуляторных, но не структурных участках генома.

В данном исследовании рассматривается возможная роль метилирования кодирующей (эк-зонной) области гена в процессе возрастных изменений генома и кодируемых белков.

ДНК — генетическая матрица — является одной из относительно стабильных биологических макромолекул, однако и она постоянно испытывает структурные превращения при воздействии разнообразных повреждающих факторов. В числе таких повреждений — однонитевые разрывы, де-пуринизация и депиримидизация, окисление оснований и др. (Анисимов, 2008). Большинство повреждений ДНК обратимо, так как исправляется той или иной системой репарации. Однако есть и исключения. Среди спонтанных повреждений ДНК отмечено дезаминирование остатков цитозина, которое, по расчетам, случается в среднем около 200 раз на клетку в день (Bernstein, Bernstein, 1991). Цитозин при дезаминировании превращается в урацил, который затем в норме энзиматически выщепляется из ДНК с восстановлением ее исходной структуры. Однако если дезаминирование затрагивает m5C, то в результате возникает не урацил, а тимин — типичное основание ДНК. В этом случае система репарации часто срабатывает неверно и сохраняет возникший тимин в динуклеотиде (5') TpG (3'), "исправляя" противолежащий динуклеотид CpG в комплементарной цепи на (5') CpA (3'). Таким образом, на месте (метилированного) цитозина в цепи ДНК становится тимин, а в комплементарной цепи — аденин вместо гуанина (Романов, Ванюшин, 1980). Такие точечные замены, естественно, могут приводить к определенным мутациям в белках, анализ которых и составляет предмет настоящего исследования.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА

Последовательности генов и белков извлекали для анализа из базы NCBI (http://www.ncbi.nlm. nih.gov/nuccore/). Для оценки вероятности возрастной дисфункции того или иного белка определяли состав и распределение кодонов экзонной области соответствующего гена как в исходном состоянии, так и в результате метилирования и последующего дезаминирования остатка цитозина. Для биоинформатического анализа больших массивов экзонных последовательностей ДНК нами была разработана специальная компьютерная программа, позволяющая анализировать переходы CpG ^ TpG в каждой из комплементарных цепей ДНК и возникающие при этом аминокислотные замены в кодируемом белке. Оконный интерфейс программы содержит меню и две панели, на которые выводятся последовательности нуклеотидов: исходная и измененная. Последовательности разбиты на кодоны и имеют подстрочники аминокислот. Меню программы позволяет задавать обусловленные метилированием замены нуклеотидов в последовательности, определять мутации, возникшие при этом в кодируемом белке, и отображать изменения на панелях. Для наглядности отражения результатов мутационных замен на панелях цветом выделяются сайты изменений, произошедшие в аминокислотном составе кодируемого белка, и отдельно маркируются те из них, которые представляют наибольшую опасность для функционирования белка. После выполнения мутационных замен и визуализации изменений на рабочих панелях программа позволяет выполнить определенную статистическую обработку данных и записать полученные результаты — сводные и отдельно по каждой цепи ДНК — в таблицы Excel. Алгоритм программы обеспечивает сравнение последовательностей генов — до и после мутационных изменений — в общей сложности по 80 параметрам, обозначенным в таблицах. Доступ к таблицам возможен через экранный интерфейс Excel.

Вероятности P нахождения тех или иных фрагментов ДНК (моно-, ди- или олигонуклеотидов) в произвольно выбранной позиции гена определялись на основе данных о нуклеотидном составе экзонной ДНК, как произведение: P = (Pa)k(Pc)l(Pg)m(Pl)n, где Pa, Pc, Pg, Pt — доли нуклеотидов в составе ДНК, а k, l, m, n — соответственно количества каждого из нуклеотидов в искомом фрагменте длиной N, где N = k + l + m + n. Для расчета статистически ожидаемого числа M содержания искомого фрагмента в полноразмерной кДНК длиной L н.о. (за вычетом стоп-кодона) результирующая формула имеет вид: M = P(L — (N — 1)). В случае динуклео-тидов CpG (N = 2) формула упрощается до вида:

Таблица 1. Кодоны, подверженные эпигенетическому мутагенезу (подчеркнуты), в таблице универсального генетического кода. СрО-содержащие кодоны выделены жирным шрифтом. Кодоны с возможностью эпигенети-чески-обусловленных мутаций при их нахождении после цитозина выделены курсивом. Образуемый в результате эпигенетически-обусловленной мутации стоп-кодон выделен фоном. В скобках — обозначения аминокислот

2-е положение в кодоне

А T G С

A AAA (Lys) AAG (Lys) AAT (Asn) AAC (Asn) ATA (Ile) ATG (Met) ATT (Ile) ATC (Ile) AGA (Arg) AGG (Arg) AGT S AGC S ACA (Thr) ACG (Thr) ACT (Thr) ACC (Thr)

1-е положение T TAA Stop TAG Stop TAT (Tyr) TAC (Tyr) TTA (Leu) TTG (Leu) TTT (Phe) TTC (Phe) TGA Stop TGG (Trp) TGT (Cys) TGC (Cys) TCA (Ser) TCG (Ser) TCT (Ser) TCC (Ser)

в кодоне G GAA (Glu) GAG (Glu) GAT (Asp) GAC (Asp) GTA (Val) GTG (Val) GTT (Val) GTC (Val) GGA (Gly) GGG (Gly) GGT (Gly) GGC (Gly) GCA (Ala) GCG (Ala) GCT (Ala) GCC (Ala)

C CAA (Gln) CAG (Gln) CAT (His) CAC (His) CTA (Leu) CTG (Leu) CTT (Leu) CTC (Leu) CGA (Arg) CGG (Arg) CGT (Arg) CGC (Arg) CCA (Pro) CCG (Pro) CCT (Pro) CCC (Pro)

M = PcPg(L — 1). Например, статистически ожидаемое число CpG-динуклеотидов в кДНК гена ката-лазы GC-состава 49.37% и общей длиной 1581 н.о. определяется как M = PcPg(L - 1) = 0.2494 х 0.2443 х х 1580 = 96.27, т.е. порядка 96.

РЕЗУЛЬТАТЫ Мы провели исчерпывающий теоретический анализ всех возможных мутаций, возникающих в результате мет

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Биология»