Регуляция активности генов, обусловленная химической модификацией (метилированием) ДНК
В. А. ГВОЗДЕВ
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

ВВЕДЕНИЕ
В процессе развития многоклеточных организмов меняется активность генов - одни гены до поры до времени неактивны (репрессированы), тогда как другие активны в раннем развитии, но инактивируются позднее. Наблюдаемые изменения активности генов лежат в основе клеточной дифференцировки [1]. Обратимые изменения активности генов в процессе индивидуального развития организма, не связанные с нарушением нуклеотидной последовательности ДНК, но приводящие к сохранению неактивного или активного состояния генов в ряду клеточных поколений, называют эпигенетическими. Самостоятельный интерес представляет исследования тех эпигенетических изменений генной активности, которые могут наследоваться при размножении особей, в последующих поколениях. Неактивное состояние гена может быть обусловлено особой компактной структурой хроматина (гетерохроматина), которая образуется в результате взаимодействия ДНК со специфическими хромосомными белками [2]. В некоторых случаях образование такой структуры хроматина объясняют метилированием ДНК и, напротив, деметилирование ДНК может сопровождаться активацией гена. Метилирование представляет собой временную химическую модификацию нуклеотидной последовательности без нарушения кодирующей способности ДНК. В этом случае обратимое метилирование рассматривается как эпимутация в отличие от мутации, вызываемой нуклеотидными заменами, нехваткой участка гена или, наконец, вставкой нуклеотидов, включая такой случай, как внедрение подвижного элемента [3].

Рис. 1. Метилирование ДНК, 5-метилцитозин (mC) и его дезаминирование, приводящее к нуклеотидным заменам. р - остаток фосфорной кислоты. Репликация ДНК при отсутствии ДНК-метилтрансферазы приведет к "пассивному" деметилированию

Метилирование ДНК осуществляется главным образом в результате обратимой химической модификации азотистого основания - цитозина (C), что приводит к присоединению метильной группы к углероду, расположенному в положении 5 пиримидинового кольца (рис. 1). Особую роль метилирование ДНК играет в развитии позвоночных. Метилирование катализируется ферментом - ДНК-метилтрансферазой. При присоединении фермента к ДНК водородные связи цитозина с комплементарным основанием гуанина (G) в двухнитевой ДНК разрываются и метильная группа присоединяется к цитозину, находящемуся в момент метилирования вне двойной спирали ДНК. Затем 5-метилцитозин возвращается на место цитозина напротив гуанина, водородные связи между метилированным цитозином и гуанином восстанавливаются. Цитозин метилируется в том случае, если рядом с ним находится гуанин (G) в сочетании CрG, где р - остаток фосфорной кислоты, связывающийся с сахарными остатками с образованием сахарофосфатного остова ДНК [4]. После репликации метилированной ДНК новообразованная цепь не будет метилированной, такую ДНК назовем полуметилированной (рис. 1). Полуметилированная ДНК - это субстрат для ДНК-метилтранферазы, которая метилирует С, комлементарный G в новообразованной цепи ДНК. Таким образом, если отдельные C, соседствующие с G в родительской ДНК, уже метилированы, то метилированы будут и С в комплементарной, вновь синтезированной цепи ДНК. В результате благодаря способности метилтрансферазы узнавать полуметилированные районы ДНК рисунок распределения метилированных оснований будет автоматически поддерживаться при репликации ДНК в процессе клеточных делений.
Для каких целей служит метилирование в организме? Установлено, что нормальное развитие млекопитающих невозможно без метилирования. Если направленно инактивировать, разрушить ген, ответственный у мышей за образование ДНК-метилтрансферазы, то развитие эмбриона приостанавливается на ранних стадиях. В то же время наличие в ДНК 5-метилцитозина (mC) опасно для организма, поскольку он может спонтанно дезаминироваться, превращаясь в тимин (рис. 1). В таком случае при репликации ДНК против T встанет А и в результате G-C-пара превратится в А-Т-пару. Таким образом, изменится кодирующая последовательность нуклеотидов в гене и функции белка, кодируемого этим геном, могут быть нарушены. Другими словами, дезаминирование 5-метилцитозина может провести к мутации, вредной для организма. Если же дезаминируется неметилированный цитозин, то последний превращается в урацил, после чего специальные ферменты репарации устраняют урацил из ДНК и вставляют на их место снова тот же цитозин. Мутация возникает только после дезаминирования mC. Тем не менее, несмотря на грозную опасность метилирования, оно сохраняется в эволюции позвоночных, но, как будет видно, поддерживается естественным отбором.

ИЗБИРАТЕЛЬНОСТЬ МЕТИЛИРОВАНИЯ
Потенциально метилируемые остатки C в соседстве с G (CрG), встречающиеся по длине гена, обычно метилированы. В геномах млекопитающих последовательности CрG представлены неравномерно: обнаруживаются участки, где такие последовательности сгруппированы, образуя так называемые CрG-островки. Эти островки занимают около одной тысячи нуклеотидных пар ДНК. Островки чаще встречаются в районах промоторов генов позвоночных, распространяясь в область начала гена (рис. 2). С промоторной областью связываются регуляторные белки, обеспечивающие активную транскрипцию гена [5]. Островки могут быть в значительной степени метилированы, что сопровождается инактивацией гена. По-видимому, метилирование ДНК препятствует взаимодействию регуляторных белков (факторов транскрипции) с промотором. Метилирование ДНК способствует привлечению к району промотора белков, подавляющих транскрипцию. Степень репрессии активности гена пропорциональна плотности метилирования цитозинов на условную единицу длины ДНК.

Рис. 2. Профиль метилирования по длине гена. Стрелка показывает направление транскрипции гена, перечеркнутая крестиком стрелка указывает на инактивацию метилированного гена. Красные кружки обозначают цитозин, синие - 5-метилцитозин. Желтыми прямоугольниками указаны экзоны гена, зелеными - интроны (об интронах и экзонах см. [8])

днако в отдельных случаях метилирование может препятствовать взаимодействию участка ДНК с репрессорными белками, подавляющими активность гена и конкурирующими за связывание ДНК с белками, обеспечивающими транскрипцию гена. Так, например, метилирование района интрона может обеспечить активность гена. В этом нет ничего удивительного, поскольку в интронах могут располагаться усилители (энхансеры) транскрипции, с которыми взаимодействуют факторы транскрипции, в свою очередь контактирующие с РНК-полимеразой [5]. В таком случае метилирование района интрона может препятствовать взаимодействию с белками- репрессорами.

Далее...