МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2010, том 44, № 2, с. 195-210
= ОБЗОРЫ
УДК 577.218
СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ 5-МЕТИЛЦИТОЗИНА В ЭУКАРИОТИЧЕСКОМ ГЕНОМЕ © 2010 г. О. В. Дьяченко*, Т. В. Шевчук, Я. И. Бурьянов
Филиал Института биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова
Российской академии наук, Пущино, 142290 Поступила в редакцию 05.06.2009 г.
Принята к печати 17.07.2009 г.
Метилирование ДНК — интегральная часть механизма модификации и ремоделирования структуры хроматина. Однако картина сложной сети реакций модификации и ремоделирования хроматина еще не установлена, и мы лишь приступаем к изучению механизмов, управляющих эпигенетическими процессами модификации гистонов и метилирования остатков цитозина в ДНК. В эукариотических геномах метилированию подвергаются преимущественно остатки цитозина в составе динуклеотидов CpG, но эта модификация происходит также в симметричных последовательностях CpHpG и несимметричных CpHpH (H—A, T или C). Степень метилирования этих трех типов сайтов зависит от их локализации в геноме. Существуют области эукариотического генома, различающиеся особенностями метилирования: CpG-островки, "берега CpG-островков", дифференциально метилированные области импринтирован-ных генов, области безальтернативной сайт-специфической модификации. Обнаружена различная эффективность метилирования трех основных канонических сайтов модификации ДНК — CpG, CpHpG и CpHpH — в зависимости от контекста их нуклеотидного окружения. Можно предположить, что существует эпигенетический "код метилирования ДНК", в котором различия контекста выполняют особую функциональную роль. В нашем обзоре рассмотрены основные структурно-функциональные особенности сайт-специфического метилирования остатков цитозина в геноме эукариот, а также изменения в картине метилирования эукариотического генома в условиях патогенеза.
Ключевые слова: метилирование ДНК, повторяющиеся последовательности, CpG-, CpHpG-, CpHpH-метилирование, нуклеотидный контекст, хроматин, канцерогенез, геномный импринтинг.
PECULIARITIES OF 5-METHYLCYTOSINE DISTRIBUTION IN EUKARYOTIC GENOME, by O. V. Dyachenko*, T. V. Shevchuk, Y. I. Buryanov (Branch of Shemyakin and Ovchinnikov Institute of Bioor-ganic Chemistry, Russian Academy of Sciences, Pushchino, Moscow Region, 142290 Russia; *e-mail: ovdy-achenko@fibkh.serpukhov.su). Most of it functions DNA methylation realizes as an integral part of the mechanism of remodeling and modification of chromatin structure. At the same time the global pattern of this complex reaction's net is still to be determined and we are just approaching to studying the mechanisms controlling epigenetic processes of histone modification and DNA methylation. Though cytosine methylation occurs predominantly at CpG sequences of eukaryotic genome, it also takes place at symmetric CpHpG and non-symmetric CpHpH sites (where H—A, T, or C). Various modification efficiency for these three site-specific dNa me-thylation types is observed depending on their genome localization. Different regions in eukaryotic genome are remarkable for their methylation features: CpG-islands, CpG-islands shores, differentially methylated regions of imprinted genes, and regions of non-alternative site-specific modification. Dependence of three canonical types (CpG, CpHpG, and CpHpH) of DNA methylation efficiency on their surrounding nucleotide context is noted. Existence of epigenetic code of DNA methylation, in which these context differences play specific functional role, has been supposed. The present review summarizes main up-to-date data on structural-functional features of site-specific cytosine methylation in eukaryotic genomes. Pathogenesis-related alterations of eu-karyotic genome methylation pattern are considered as well.
Key words: DNA methylation, repetitive sequences, CpG-, CpHpG-, CpHpH-methylation, sequence contexts, chromatin, carcinogenesis, genomic imprinting.
Принятые сокращения: МТаза — ДНК-метилтрансфераза; С5-МТаза — ДНК-(цитозин-5-)-метилтрансфераза; AdoMet — S-аденозил-Ь-метионин; RLGS — рестрикционно-маркированное сканирование генома; DMR — районы дифференцированного метилирования ДНК; T-DMR — тканеспецифические дифференциально метилированные области ДНК; C-DMR — онкоспецифические дифференциально метилированные области ДНК; САМ (Crassulacean acid metabolism) — метаболизм органических кислот растений по типу толстянковых; siPHK — короткие интерферирующие РНК; H — A, T или С.
* Эл. почта: ovdyachenko@fibkh.serpukhov.su
Понятие эпигенома прочно вошло в современную биологию. Эпигеном объединяет ДНК, гистоны и другие ассоциированные белки, а также молекулярные процессы их постсинтетической модификации. В клетках эукариотических организмов метилирование участвует в регуляции генной экспрессии, клеточной дифференцировки и морфогенеза, в эпигенетическом контроле геномного импринтинга и инактивации мобильных генетических элементов. Эти функции метилирования ДНК присущи как млекопитающим, так и высшим растениям. Метилирование ДНК является интегральной частью механизма модификации и ремоделирования структуры хроматина. Картина сложноразветвленной сети многочисленных взаимосвязанных реакций модификации и ремоделирования структуры хроматина только устанавливается, в том числе изучается специфичность функций метилирования различных областей генома эукариотической клетки. В структурно-функциональном исследовании ферментативного метилирования эукариотических ДНК существует значительный пробел, обусловленный преимущественным изучением только CpG-типа этой модификации. Однако у эукариот обнаружен второй симметричный тип метилирования ДНК — CpHpG (H— A, T или С) и несимметричный тип метилирования — CpHpH. Эукариотические ДНК-метилтрансферазы (МТазы) метилируют остатки цитозина в полуметилированной реплицирующейся ДНК в симметричных сайтах CpG и CpHpG (поддерживающее метилирование), а также осуществляют метилирование полностью неметилированных ДНК (метилирование ДНК de novo). Эпигенетический ландшафт эука-риотического генома с особенностями его метилирования, на фоне которого происходят процессы жизнедеятельности клетки, привлекает все большее внимание и ставит вопрос об изучении метилирования специфических областей генома. В настоящем обзоре рассмотрены особенности сайт-специфического метилирования различных областей эукарио-тического генома, информация о которых имеет фундаментальное значение для понимания функциональной роли этой модификации ДНК и практическое значение для медицины и эпигенетической инженерии.
CpG-ОСТРОВКИ И ИХ СВОЙСТВА
В то время как геном беспозвоночных состоит из "компартментов" метилированной и неметилиро-ванной ДНК [1], весь соматический геном позвоночных в значительной степени метилирован за исключением так называемых CpG-островков — участков неметилированной ДНК, обогащенной динуклеоти-дами CpG. CpG-островки имеют протяженность от нескольких сотен до нескольких тысяч пар нуклео-тидов с GC-составом выше 50% и с приблизительно равными частотами встречаемости динуклеотидов CpG и GpC [2]. Таким образом, в этих участках ДНК
отсутствует дефицит динуклеотидов CpG, ярко выраженный в суммарных ДНК позвоночных и наблюдаемый также в ДНК растений.
В геноме животных CpG-островки обнаружены только у позвоночных. Более половины всех генов млекопитающих содержат CpG-островки вблизи точек старта транскрипции [3, 4]. В ДНК различных тканей CpG-островки неметилированы независимо от экспрессии или "молчания" гена [5]. Исключение представляют "молчащие" метилированные гены одной из инактивированных Х-хромосом [6], им-принтированные инактивированные гены [7] и опухолевые гены-супрессоры в раковых клетках [8, 9]. При старении в нормальных тканях также происходит метилирование CpG-островков некоторых генов, что позволяет говорить о связи между старением и канцерогенезом [10, 11]. CpG-островки тканеспе-цифичных генов, например гена а-глобина человека, остаются неметилированными во всех тканях, даже если они не транскрибируются [12]. В то же время, в культуре многих типов клеток мыши и человека около половины всех CpG-островков значительно метилированы. Это метилирование CpG-островков связано с потерей клетками своих специфических свойств в культуре in vitro [13].
CpG-островки отличает доступность для нуклеаз, локализация в области "открытого хроматина", который содержит гиперацетилированные гистоны, и недостаток гистона Н1 [14]. В то же время, метилирование CpG-островков приводит к образованию компактной и нечувствительной к нуклеазам структуры хроматина [15].
В CpG-островках часто встречаются CCGG-сай-ты, выявляемые с помощью чувствительной к метилированию эндонуклеазы рестрикции HpaII. Гидролиз ДНК этим ферментом приводит к образованию очень мелких фрагментов, так называемых HTF (HpaII tiny fragments), на долю которых приходится около 1% генома позвоночных [16]. CpG-островки наиболее характерны для таких генов позвоночных, как гены домашнего хозяйства и некоторые ткане-специфичные гены [2, 3], обычно они располагаются в 5'-областях генов домашнего хозяйства, занимая только часть транскрибируемого участка. Короткие гены, например ген а-глобина человека, могут целиком входить в состав CpG-островка [12]. CpG-ост-ровки могут отсутствовать в 5'-концевых участках генов, располагаться в их транскрибируемой области, или примыкать к их З'-концу. Некоторые гены не содержат CpG-островков, например гены семейства р-глобинов млекопитающих, фактора роста нервов, гормона роста, лейкоцитарного интерферона, инсулина, фибриногена [3]. CpG-островки обнаружены и в ДНК высших растений. Геномы растений также содержат фракцию HTF [17]. В то же время, у растений, как и у позвоночных, есть гены без CpG-островков, например ген зеина кукурузы [17].
Присутствие CpG-островков у позвоночных и растений коррелирует с большим размером их гено-
ма [17]. В этой связи можно отметить, что CpG-ост-ровки очень редко встречаются в геноме холоднокровных позвоночных [18], а в геноме мыши их на 16% меньше, чем в геноме человека [4]. С испол
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.