УДК 577.21:577.24
МЕТИЛИРОВАНИЕ КАК ВАЖНЕЙШИЙ МЕХАНИЗМ ЭПИГЕНЕТИЧЕСКОЙ РЕГУЛЯЦИИ У ЭУКАРИОТ
© 2014г. А. Н. Берестяная
Институт клеточной биологии и генетической инженерии НАН Украины, Киев E-mail :a.berestyanaya@yandex.ru
Рассмотрены функции метилирования - химической модификации ДНК, принимающей участие в ряде клеточных процессов. Отмечены общие черты метилирования для животных и растительных организмов. Описываются ферменты, обеспечивающие сохранение и передачу паттернов метилирования ДНК. Рассмотрены механизмы регуляции экспрессии генов. Приводятся особенности изменений эпигенома в ходе онтогенеза. Обсуждается взаимосвязь деметилирования и деградаци-онных процессов, сопровождающих старение эукариотической клетки.
Ключевые слова: модификация ДНК, эпигеном эукариот, метилтрансферазы, паттерн метилирования.
ВВЕДЕНИЕ
Метилирование - единственная химическая модификация, задействованная во многих генетических процессах эукариот. Она контролирует эпигенетическое наследование и экспрессию генов, включается в пререкомбинантные события, выполняет функцию защиты от встраивания экзогенных нуклеотидных последовательностей, а также ограничивает распространение эндогенной эгоистичной ДНК, представленной мобильными генетическими элементами (Lee, et al., 2010). Метилирование цитозина в ДНК эукариот является ключевым фактором их развития. Оно обладает высокой специфичностью и реализуется посредством цитозиновых метилтрансфераз, представленных полифункциональным классом генов. Метилирование модулируется геномом, и в свою очередь, оказывает воздействие на его структурно-функциональную организацию, участвуя в регуляции конформационных изменений хроматина, что вызывает перепрограммирование генома. Нарушения в эпигенетическом коде могут индуцировать изменения в локусах (Jiang, Kohler, 2012; Kalisz, Purugganan, 2004) .
На сегодняшний день получено экспериментальное обоснование некоторых гипотез, описывающих значение ферментативной модификации в животном организме, однако для растений таких данных не достаточно, что оставляет возможность для новых исследований. Изучение полифункциональной роли метилирования цитозина в структурной организации генома эукариот и ре-
гуляции экспрессии генов в ходе онтогенеза, выяснение эпигенетической компоненты в механизмах возрастной деградации является важнейшей областью современных исследований.
ОБЩИЕ ЧЕРТЫ МЕТИЛИРОВАНИЯ ДНК ЭУКАРИОТ
Метилирование является химической модификацией, которая осуществляется с участием ферментов ДНК-метилтрансфераз, транспортирующих метильные СН3-группы с S-аденозилме-тионина (SAM) на специфические сайты ДНК. Это - эпигенетический процесс, который не изменяет последовательность ДНК, а лишь модифицирует соответствующие нуклеотиды (Viswanathan, Zhu, 2009; Akimoto et al., 2007) (рис. 1).
К структурам, обеспечивающим метилирование генома эукариот, относятся: ДНК-метилтан-сферазы, обладающие de novo и поддерживающей функциями, ДНК-деметилазы, гистон-модифици-рующие ферменты, факторы ремоделирования хроматина, центры метилирования, которые инициируют процесс, и, вероятно, связаны с необычными третичными структурами ДНК. Метилированные цитозины расположены не равномерно, а сгруппированы в определенных локусах, в частности, в транскрипционно неактивных гетерохроматиновых районах, включая центромерные отделы ДНК, перицентромеры и другие повторяющиеся участки. Эухроматиновые области, включающие в себя гены, промоторные последо-
nh2
•^N
©s-CH2n V H,C
'I
CH2 ОС**1 tí
H2C
© I OH OH H3N-CH
coo0
S-аденозилметионин (SAM)
ДНК-метилаза + SAM
О
Метилирование
Деметилирование
NHo
X "
-CH,
ДНК-деметилаза
ЦИТОЗИН
О H
|3'
5-метилцитозин
Рис. 1. Модификация цитозина в 5-метилцитозин с участием ДНК-метилаз и S-аденозилметионина.
вательности некоторых генов и межгенные спей-серные участки ДНК, показывают более низкие, чем в гетерохроматине, но все же значительные уровни метилирования цитозина по сравнению с активно экспрессирующимися последовательностями. Из всех экспрессируемых генов Arabidopsis thaliana около 5% метилированы в промоторах и 33% - в транскрибируемых повторяющихся участках. Общегеномный уровень метилирования саИтов CpG, CpNpG, CpNpN составляет 24%, 6.7% и 1.7% соответственно (Zhang, е1 al., 2010).
Метилирование ДНК эукариот строго видо-специфично. У большинства беспозвоночных степень метилирования генома незначительна. Метилированные цитозины в ДНК позвоночных обнаруживаются в зависимости от функциональных особенностей генов. В геноме млекопитающих метилировано около 8-10% остатков цитози-на, в геноме растений этот показатель варьирует в зависимости от видовой принадлежности, к примеру, содержание метилированного цитозина у водорослей и мхов составляет - 10-15%, у высших растений достигает 30-50% (Akimoto et al., 2007; Eung et al., 2012). Содержание метилированных цитозинов в ДНК растений нельзя назвать минорным. Растительная ДНК обладает столь существенным содержанием модифицированных цитозинов, что они по количеству сопоставимы с немодифицированными основаниями. Так, например, у растения Scilla bifolia в сателлитной ДНК метилирован практически весь цитозин. Особенностью растений является полиплоидиза-ция и широкое варьирование размеров геномов.
Но, несмотря на это, количество функционирующих генов составляет лишь 3-5%. Структурные гены растений представлены мультигенными семействами. Возможно, избыток ядерной ДНК регулируется механизмами метилирования, что обеспечивает стационарный уровень транскрип-ционно-активных областей генома. Геном высших растений состоит из уникальных и повторяющихся последовательностей, причем количество последних в разы больше. Именно в них наблюдается повышение уровня метилирования цитозина по сравнению с уникальными последовательностями.
ДНК высших растений преимущественно метилирована по остаткам цитозина, локализованным в CрG и CрNрG-сайтах. Сайты CpG являются основными для метилирования in vivo ДНК эукариот (Kapazoglou, Tsaftaris, 2011). Модификации могут одновременно подвергаться внешние и внутренние остатки цитозина тринуклеотида CpCpG (Jiang, Kohler, 2012). Метилирование регулирует взаимодействие ДНК с белками. В ядрах растений обнаружены белки, связывающиеся с регуляторными элементами генов рРНК при условии отсутствия метилирования внутреннего цитозинового остатка в CpCpG-сайте. Наличие метилирования в указанном сайте исследованного фрагмента гена ингибирует связывание с белками. Метилирование ДНК по цитозиновым остаткам также препятствует связыванию с ядерными белками, которые участвуют в процессах транскрипции, репликации, репарации ДНК. Животная ДНК аналогично содержит 5-метилцито-зин не только в CpG-последовательностях, но и в CрNрG, что имеет важное биологическое значение (Vanyushin, Ashapkin, 2011). Модификация цитозиновых остатков в этих последовательностях наблюдается при индуцированном РНК-метилировании генов и сопровождается их инактивацией (Keyte, et al., 2006).
Известно, что ДНК организма, в зависимости от типа клеток, метилирована по-разному. Это связано с разными функциями и степенью диф-ференцировки клеток, и присущей им экспрессии генов. Растения и животные обладают тканевой специфичностью метилирования суммарной ДНК и отдельных генов. Так, например, ядерные ДНК растений метилированы сильнее, чем хло-ропластные (Leе et al., 2010).
Общая черта, присущая метилированию и мутациям - это наследуемость, хотя в отличие от большинства мутаций, метилирование обратимо. Известно, что репликация сопровождается возникновением полуметилированных сайтов ДНК,
но к концу клеточного цикла асимметрия метилирования цепей ДНК значительно уменьшается (Akimoto et al., 2007). ДНК-метилазы поддерживающего типа метилируют полуметилированные сайты с образованием полностью метилированных сайтов, за счет чего поддерживается наследственный статус метилирования генома. Метилированный цитозин одной цепи является сигналом к метилированию цитозина в комплементарной цепи.
Контроль модификации ДНК представляет интерес для биотехнологической отрасли. С помощью эпигенома можно добиться направленной регуляции экспрессии генов у растений, увеличить их полезные качества. Замечено, что в результате обработки деметилирующим агентом 5-азацитидином наблюдается увеличение содержания белка в зерновках пшеницы за счет активации генов запасных белков. Индуцированные химическим агентом признаки сохраняются не более трех поколений, затем происходит восстановление исходного статуса метилирования генома и возвращение к прежнему фенотипу. Какие механизмы отвечают за возвращение к исходному паттерну метилирования, пока неизвестно (Marfil et al., 2009).
ФУНКЦИИ МЕТИЛИРОВАНИЯ ДНК ЭУКАРИОТ
Метилирование у бактерий выполняет функцию защиты генетического материала от встраивания вирусных нуклеотидных последовательностей. Осуществляется это за счет наличия системы рестрикции-модификации, где определенный сайт ДНК распознается двумя ферментами, один из которых обладает эндонуклеазной, а второй ме-тилазной активностью. Метилазы модифицируют определенные последовательности собственной ДНК, а чувствительные к метилированию ре-стриктазы узнают и расщепляют те последовательности, которые не имеют соответствующей модификации. Фаговая ДНК, попавшая в бактериальную клетку, расщепляется в определенных сайтах специфическими рестриктазами, однако те же самые последовательности собственной ДНК-бактерии, защищены от расщепления метилированием (Iver et al., 2011).Считается, что роль метилирования как механизма защиты от внедрения в геном вирусных последовательностей сохраняется на протяжении эволюции у более сложных организмов. В клетках крыс встроенные вирусные последовательности зачастую метилируются, что ведет к остановке их транскрипции.
Вирусные инвазии генома растений вызывают аберрантное метилирование повторяющихся последовательностей. Однако, не встроенные в геном растения-хозяина вирусные ДНК подвергаются действию со стороны клеточных метилаз (Ming et al., 2010). Неинкапсулированная ДНК вируса мозаики цветной капусты метилируется по всем HpaII-сай
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.