ДНК метилиране: какво е и ролята му в епигенетиката и регулацията на гените

Как ДНК метилирането регулира гените и епигенетиката — механизми, влияние върху развитие, здраве и наследствени промени без промяна в ДНК.

Метилирането на ДНК е основният начин, по който се регулира активността на гените през живота, особено в ранното развитие.

Това е процес, при който към ДНК се добавят метилови групи. Това потиска транскрипцията на гените. Два от четирите нуклеотида на ДНК - цитозин и аденин, могат да бъдат метилирани. Тъй като метилирането на аденина е ограничено до прокариотите, транскрипцията на всички еукариоти се регулира чрез потискане на цитозина.

Потискането на гените е в основата на епигенетиката - изследването на промените в активността на гените, които не се дължат на промени в последователността на ДНК. Тя изучава генната експресия, начина, по който гените предизвикват своите фенотипни ефекти.

Промените в активността на гените, предизвикани от метилирането, могат да продължат до края на живота на клетката и за много поколения клетки чрез клетъчни деления. Въпреки това няма промяна в основната ДНК последователност на организма. Вместо това ненаследствени фактори карат гените на организма да се държат (изразяват) по различен начин.

Механизъм — къде и как се метилира ДНК

В гръбначните животни метилирането най-често се случва върху цитозините, които са последвани по веригата от гуанин (т.нар. CpG динуклеотиди). В човешката ДНК CpG позициите често са концентрирани в области, наречени CpG острови, които се намират предимно в промоторните области на гените.

Метилирането на промотори обикновено води до:

• препречване на свързването на транскрипционни фактори;
• привличане на белтъци-четещи метилирането (напр. MeCP2, MBD протеини), които създават по-компактна хроматинова структура;
• промяна на посттранслационната модификация на хистоните и допълнително потискане на експресията.

Метилирането в телата на гените или в повторяеми елементи може да има различни ефекти — от стабилизиране на транскрипцията до потискане на ретротранспозони и други подвижни елементи.

Ключови ензими и „четещи/премахващи“ белтъци

• DNMT1 — основен ензим за поддържащо (maintenance) метилиране; копира метиловите шаблони при репликация, за да запази моделите на метилиране в дъщерните клетки.
• DNMT3A и DNMT3B — ензими за de novo метилиране; създават нови метилации по време на ембрионално развитие и клетъчна диференциация.
• TET1–TET3 — семейство ензими, които инициират активното деметилиране чрез окисляване на 5-метилцитозина (5mC) до 5-хидроксиметилцитозин (5hmC) и други производни.
• MeCP2 и MBD белтъци — „четащи“ метилацията; свързват метилирани CpG и привличат хроматинови ремоделиращи комплекси.

Роля в развитието и физиологията

Метилирането е критично за правилното развитие и диференциация на клетки и тъкани. Някои конкретни роли:

• Инициализация на клетъчните идентичности — модели на метилиране „закрепват“ кои гени ще бъдат активни или потиснати в една клетъчна линия.
• Инактивиране на X-хромозомата при жените — един от механизмите, чрез които една от двете X-хромозоми се затъмнява.
• Геномно импринтиране — някои гени се експресират само от един родител в резултат на родителски специфични модели на метилиране.
• Потискане на ретротранспозони и други повтори, което пази геномната стабилност.
• Роля в нервната система — метилирането участва в паметта и пластичността; мутации в MeCP2 водят до Рет-синдром.

Метилиране и болести

Аномалии в моделите на ДНК метилиране са свързани с множество заболявания:

• Рак — често наблюдаваме глобална хипометилация (повишена геномна нестабилност) и локална хиперметилация на промотори на тумор-супресорни гени.
• Имипринтинг заболявания — например Prader–Willi и Angelman, при които грешки в импринтирането/метилирането причиняват болестен фенотип.
• Неврологични и развойни разстройства — включително Рет-синдром и други състояния, свързани с нарушена епигенетична регулация.
• Възможности за терапия — инхибитори на DNMT (напр. азацитидин, декабитинид) се използват при някои кръвни злокачествени заболявания и показват, че метилирането е фармакологично мишена.

Как се изследва метилирането

Съвременните методи позволяват картографиране на метилирането на ниво база:

• Бисулфитна последователност (bisulfite sequencing) — „златен стандарт“ за детекция на 5mC; сега се прилага във вариант за целия геном (WGBS) или таргетирано.
• Масиви за метилиране (напр. Illumina 450K/EPIC) — профилиране на стотици хиляди CpG позиции в много проби едновременно.
• MeDIP-seq — имунопреципитация на метилирана ДНК, последвана от секвениране.
• Методи за 5hmC и оксидирани производни — oxBS-seq, TAB-seq и др., за разграничаване между 5mC и 5hmC.
• Едноклеткови методи — single-cell bisulfite sequencing позволява изучаване на хетерогенността между клетки.

Динамика и влияние на околната среда

Метилирането е динамичен процес и може да бъде повлияно от фактори като диета (фолат, витамини от група B), тютюнопушене, стрес, замърсители и експозиции в пре- и постнатален период. Някои епигенетични промени могат да се запазят дълго време и в някои случаи да влияят върху следващите поколения, въпреки че прехвърлянето на епигенетични белези между поколения при хората е предмет на активни изследвания и все още не е напълно изяснено.

Практическо значение и бъдещи перспективи

ДНК метилирането е ключов механизъм за регулиране на генната експресия, с голямо значение за развитието, здравето и болестите. Разбирането и манипулирането на метилирането дава възможности за диагностични маркери (напр. за рак), терапевтични подходи (епи-дрога) и персонализирана медицина. Текущите изследвания се фокусират върху точността на картите на метилиране, динамиката им в отделните клетки и възможността целенасочено да се пренастройва епигеномът за лечение на болести.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява метилирането на ДНК?

В: Кои нуклеотиди в ДНК могат да бъдат метилирани?

В: Какво е епигенетика?

В: Каква е основата на епигенетиката?

В: Какво представлява изучаването на генната експресия?

Въпрос: Колко дълго могат да продължат промените в активността на гените чрез метилиране?

В: Променя ли метилирането на ДНК основната ДНК последователност на организма?

Търсене по буква