Эпигенетика: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

^{¦ Несколько методов, базирующихся на ПЦР, которые зависят от предшествующей бисульфитной обработки, были разработаны для того, чтобы ускорить анализ интересующих исследователя районов (см., например, Herman et al., 1996). Эти методы очень удобны, но, фокусируясь на нескольких немногих сайтах CpG, они жертвуют детальной информацией, которая была бы получена при бисульфитном секвенировании.}

^{¦ Недавно для картирования метилирования ДНК были использованы микрочипы (microarrays). Например, ДНК, устойчивая к деградации специфичной к 5-метилцитозину нуклеазой МсгВС, может быть использована как зонд для работы с последовательностями геномной ДНК методом tiled arrays, чтобы получить общую картину уровня метилирования в специфическом участке (Martienssen et al., 2005). Можно также провести иммунопреципитацию зондов для tiled arrays, используя специфичные к 5-метилцитозину антитела, что позволяет получить общую картину уровней метилирования ДНК (Weber et al., 2005).}

2.5. Активное деметилирование зиготического отцовского генома

Помимо этих локальных изменений в метилировании ДНК имеет место значительное изменение уровней глобального метилирования ДНК в оплодотворенном яйце. Анализ уровней метилирования хромосомной ДНК с использованием анти-5-метилцитозиновых антител первоначально показал, что один хромосомный набор на ранних стадиях эмбрионального дробления удивительным образом дефектен в отношении метилирования ДНК (Rougier et al., 1998). Происхождение этого различия обнаружили, изучая зиготу до слияния материнского и отцовского пронуклеусов и используя для этого иммуноокрашивание 5-метилцитозина (Mayer et al., 2000). Вначале и материнский, и отцовский пронуклеусы демонстрировали равное окрашивание, что позволяло предполагать, что геномы яйцеклетки и спермия имели, грубо говоря, эквивалентные уровни метилирования цитозинов. Однако через несколько часов после оплодотворения наблюдали резкую утерю 5-метилцитозинов исключительно из отцовского генома. Бисульфитное секвенирование подтвердило, что один из двух геномов действительно деметилирован. Механизм утраты метилирования ДНК неизвестен, но он должен включать «активное» удаление этой модификации, поскольку в этот период нет никакой репликации ДНК. Интересно, что материнский геном тоже теряет метилирование ДНК в раннем эмбриогенезе, но в этом случае процесс является «пассивным» благодаря отсутствию поддерживающего метилирования ДНК во время ранних делений дробления. В целом предполагается, что в этот период удаляется более половины всего геномного метилирования. Затем, при имплантации происходит реметилирование, зависящее от Dnmt3a и Dnmt3b.

Об активном деметилировании ДНК сообщалось и в нескольких других случаях. Например, деметилирование промотора гена interleukin-2 в дифференцирующихся Т-хэлперных клетках (см. выше и: Bruniquel and Schwartz, 2003) происходит быстро и в отсутствие репликации ДНК. Сравнимый эффект был воспроизведен искусственно в системе ооцита лягушки, где сайленсированный, метилированный ген Oct-4 млекопитающего можно было транскрипционно реактивировать посредством процесса, зависящего от предшествующего деметилирования этого гена (Simonsson and Gurdon, 2004) Эта стадия, по-видимому, установлена для изоляции самой деметилазы.

Рис. 18.4. Островки CpG

^{Островки CpG — это участки высокой плотности CpG, лишенные метилирования CpG, обнаруживаемого на промоторах большинства генов человека Долговременный сайленсинг гена может быть обеспечен метилированием района островков CpG. Например, таким путем сайленсированы гены на неактивной Х-хромосоме и некоторые импринтированные гены. Кроме того, некоторые гены в раковых клетках аберрантно сайленсированы метилированием островков CpG}

2.6. Что защищает островки CpG от метилирования ДНК?

Исследования паттернов метилирования ДНК оказались сфокусированными на вопросе о том, каким образом островки CpG у млекопитающих в норме остаются иммунными к метилированию ДНК, в остальном глобальному. Простейшее возможное объяснение заключается в том, что (1) островки CpG внутренне не способны к метилированию de novo метилтрансферазами ДНК, но это кажется невероятным, поскольку они становятся плотно метилированными на неактивной Х-хромосоме, тогда как островки на активной Х-хромосоме в той же клетке являются резистентными. Кроме того, в раковых клетках и клеточных линиях многие в норме неметилированные островки CpG поддаются метилированию. Поэтому были приняты во внимание несколько альтернативных (не обязательно взаимоисключающих!) объяснений паттерна метилирования ДНК у млекопитающих; (2) островки CpG защищены от метилирования связыванием факторов, каким-то образом исключающих Dnmt. Имеются доказательства, что связывающиеся факторы действительно исключают метилирование ДНК, но «футпринтинг» [footprinting, метод определения участков нуклеиновых кислот, образующих комплексы с белками] и тесты на чувствительность к нуклеазам показывают, что островки CpG (Lin et al., 2000) в ядре в высокой степени доступны; (3) островки CpG поддерживаются в свободном от метилирования состоянии с помощью ДНК-деметилаз, которые активно удаляют метил-CpG (Frank etal., 1991). Несмотря на несколько сообщений о деметилирующих активностях, все современные кандидатуры на роль ДНК-деметилаз не получили подтверждения. Однако этот сценарий нельзя исключить; (4) атипичный состав оснований и отсутствие метилирования отражают аномальный метаболизм ДНК в этих островках CpG. Например, имеются данные о том, что островки CpG являются ориджинами репликации [точками начала репликации], и на них>южет влиять структура интермедиата инициации репликации (Antequera and Bird, 1999). В качестве альтернативы можно предположить, что в этих сайтах может концентрироваться рекомбинация и (или) репарация, что приводит к высоким уровням обновления ДНК. Каким образом эти предполагаемые актвности могли бы исключать Dnmt — неясно. (5) Ранняя эмбриональная транскрипция с промотора островка CpG необходима для того, чтобы гарантировать, что метилирование ДНК исключено. В тестах с трансгенозом мутации промотора провоцируют метилирование островков CpG (Brandeis et al., 1994; MacLeod et al., 1994), и у ранних эмбрионов промоторы островков CpG в высокой степени тканеспецифичных генов обычно экспрессируются, но формальные доказательства того, что транскрипция исключает метилирование CpG, отсутствуют.

2.7. Переключается ли метилирование ДНК структурой хроматина?

Вышеописанные сценарии предполагают, что метилирование CpG является состоянием генома «по умолчанию» и что островки CpG поэтому возникают посредством исключения глобальной метилирующей активности. Недавно был предложен несколько иной взгляд: (6) паттерны метилирования ДНК определяются состоянием модификации лежащего в основе хроматина. В этом случае метилирование ДНК или его отсутствие включалось бы более ранним решением определенным образом модифицировать гистоновые белки. У гриба Neurospora crassa и растения Arabidopsis thaliana получены серъезные данные в пользу этой идеи (главы 6 и 9). Метилирование в этих системах не ограничено сайтами CpG и, как было показано, зависит от наличия метилирования гистона H3 по лизину 9 (H3K9me) (Tamaru and Selker, 2001; Jackson et al., 2002). У растений оказалось, что РНК-интерференция (RNAi) может служить «прицельным» механизмом для модификации хроматина, сайленсинга генов и метилирования ДНК (см.: Aufsatz et al., 2002; глава 8). Хотя у млекопитающих, у которых метилирование CpG преобладает, эти отношения были установлены хуже, отсутствие двух метилтрансфераз, метилирующих лизины гистонов (HKMTs) и специфичных к остаткам H3K9, как было показано, уменьшает метилирование CpG в повторяющихся последовательностях гетерохроматина (Lehnertz et al., 2003). Кроме того, было показано, что уменьшение содержания белка EZH2 из группы Polycomb (PcG), НКМТ, специфичной к остаткам H3K27, вызывает утрату метилирования CpG промоторов, являющихся мишенями для EZH2 (Vire et al., 2006). Имеются также убедительные данные о том, что у млекопитающих анти-смысловая транскрипция включает метилирование ДНК. Хиггс и сотрудники (Tufarelli et al., 2003) показали, что проведение [driving] антисмыслового транскрипта через ген ?-глобина в дифференцирующихся клетках мышиного эмбриона обеспечивает метилирование островков CpG-Механизм, лежащий в основе этого эффекта, остается неясным, но высказывались спекулятивные соображения, что здесь играет роль RNAi, подобно тому, что имеет место при некоторых событиях de novo метилирования у растений (Zilberman et al., 2003). Сообщалось о de novo метилировании, включаемом RNAi, в культивируемых клетках млекопитающих (Kawasaki and Taira, 2004), но современные данные заставляют считать, что этот феномен менее ясен, чем у растений или грибов

2.8. Роль SWI/SNF-подобных белков ремоделинга хроматина

Данные о том, что для обеспечения соответствующего метилирования необходимы также вспомогательные факторы хроматина, первоначально были получены на растениях, где было показано, что для полного метилирования генома A. thaliana существенное значение имеет SNF2-подобный белок DDM1 (Jeddeloh et al., 1999). Аналогичная зависимость наблюдается и у животных, поскольку мутации в генах ATRX человека (Gibbons et al., 2000) и Lsh2 мыши (Dennis et al., 2001), которые оба кодируют белки, родственные белку ремоделинга хроматина, SNF2, существенно влияют на паттерны глобального метилирования ДНК. В частности, утрата белка LSH2 соответствует фенотипу мутации DDM1 у Arabidopsis, поскольку оба мутанта утрачивают метилирование высокоповторяющихся последовательностей ДНК, но сохраняют некоторое метилирование в других местах генома. Возможно, эффективное глобальное метилирование генома требует изменений структуры хроматина этими ремоделируюшими хроматин белками, чтобы DNMTs могли получить доступ к ДНК. «Сотрудничество» между DNMTs и факторами хроматина, позволяющее им получить доступ к специализированным участкам хромосом, может иметь особенно важное значение в районах, являющихся «гетерохроматиновыми» и недоступными.

3. Регуляция экспрессии генов метилированием ДНК

3.1. Ранние данные

Влияние метилирования ДНК на экспрессию генов было протестировано несколькими способами, В репортерном гене аденовируса искусственное метилирование подгруппы сайтов CpG с помощью М.НраН предотвращало экспрессию этого гена, когда его инъецировали в ядра ооцитов лягушки (Vardimon et al., 1982). Аналогичным образом ген аденинфосфорибозилтрансферазы (Stein et al., 1982) был сайленсирован метилированием CpG при трансфекции в культуральные клетки млекопитающих Исследования эффектов метилирования ДНК в природной геномной ДНК стали возможными с открытием того, что химический агент 5-азацитидин может подавлять метилирование ДНК в живых клетках (Jones and Taylor, 1980). Этот аналог нуклеозида включается в ДНК вместо цитидина и формирует ковалентный адцукт с ДНК-метилтрансферазами, изымая их из круговорота и предотвращая дальнейшее метилирование ДНК. Ранее было показано, что сайленсинг нескольких генов, включая вирусные геномы (Harbers et al., 1981) и гены на неактивной Х-хромосоме (Wolf et al., 1984), коррелирует с их метилированием. Способность воздействия 5-аза-цитидином восстанавливать их экспрессию (Mohandas et al., 1981) свидетельствовала о том, что это метилирование ДНК играет причинную роль в их репрессии. То, что этот эффект действительно был обусловлен изменениями в метилировании ДНК, а не каким-то другим влиянием этого вещества, было продемонстрировано с помощью тестирования очищенной ДНК, выделенной из клеток, обработанных агентом. ДНК из клеток, обработанных 5-азацитидином, будучи трансфецированной в клетки, была способна к активной экспрессии «молчащего» гена гипоксантинфосфорибозилтрансферазы, сцепленного с Х-хромосомой, тогда как ДНК из необработанных контрольных клеток не могла обеспечить экспрессию (Venoliaet al., 1982).

3.2. Интерференция со связыванием транскрипционного фактора

Каким образом метилирование ДНК интерферирует с экспрессией генов? Одна очевидная возможность заключается в том, что присутствие метильных групп в большой бороздке (рис. 18.1) интерферирует со связыванием транскрипционных факторов, активирующих транскрипцию со специфического гена. Ряд транскрипционных факторов распознает мотивы обогащенных GC последовательностей, которые могут содержать GC-последовательности. Некоторые из них не способны связываться с ДНК, когда последовательность GC метилирована (Watt and Molloy, 1988). Доказательства участия этого механизма в регуляции генов поступают из исследований роли белка CTCF в импринтинге в локусе H19/Igf2 у мышей (Bell and Felsenfeld, 2000). CTCF ассоциирован с границами транскрипционного домена (Bell et al. 1999) и может изолировать промотор от влияния удаленных энхансеров. Полученная от матери копия гена Igf2 является «молчащей» из-за связывания CTCF между его промотором и энхансером, находящимся «вниз по течению». Однако в отцовском локусе богатые CpG сайты связывания CTCF метилированы, что предотвращает связывание CTCF и тем самым позволяет энхансеру, находящемуся «вниз по течению», активировать экспрессию Igf2 Хотя имеются данные о том, что импринтинг H19/Igf2 включает дополнительные процессы, роль CTCF представляет собою яркий пример транскрипционного регулирования посредством метилирования ДНК (детали см. в главе 19).

3.3. Притяжение белков, связывающихся с метил-CpG

Второй способ репрессии противоположен первому, поскольку он связан с белками, которые притягиваются, а не отталкиваются метил-CpG (рис. 18.5 и табл. 18.2). Этот способ репрессии вначале был обнаружен в экстрактах из клеток млекопитающих, которые были способны поддерживать транскрипцию добавленных генов. Добавление следовых количеств ДНК-матрицы сделало возможной транскрипцию с неметилированных репортерных генов, тогда как метилированные репортеры были репрессированы (Boyes and Bird, 1991). Увеличение количества добавляемой ДНК вызывало транскрипцию метилированных и неметилированных матриц на эквивалентных уровнях, что заставляло предполагать, что лимитирующие количества транскрипционного ингибитора, специфичного к метилированию ДНК, раститровывались [were being titrated out]. В соответствии с этой интерпретацией находящаяся в избытке метилированная неспецифическая конкурентная ДНК [excess methylated nonspecific competitor DNA] снимала репрессию метилированных генов в этих экстрактах. Доказательства непрямого подавления транскрипции также поступили из опытов, в которых метилированная ДНК, введенная в клетки млекопитающих и ооциты лягушки, сделала возможной транскрипцию генов только в начале (Buschhausen et al., 1987; Kass et al., 1997). Сайленсинг происходил несколькими часами позже, заставляя предполагать, что сайленсинг может зависеть от сборки хроматина Для того чтобы обнаружить белки, которые могли бы специфически связываться с метилированными генами и обусловливать наблюдаемую репрессию, были применен метод задержки в электрофорезном геле [bandshift assay] с использованием случайных метилированных последовательностей ДНК в качестве зондов. Комплекс ДНК — белок, специфичный к метилированной ДНК (MeCP1), наблюдали в ряде клеточных типов у млекопитающих (Meehan et al., 1989). Индивидуальный связывающийся с метил-CpG белок, МеСР2, был, однако, первым белком, подлежащим очистке и клонированию. Белки с мотивами связывания с ДНК, родственными мотивам МеСР2, были идентифицированы в результате поисков в базах данных и обозначены как семейство метил-CpG-связывающих доменов, охватывающее МеСР2, MBD1, MBD2, MBD3 и MBD4 (табл. 18.2) (Bird and Wolffe. 1999). Один из этих белков (MBD2) является связывающимся с ДНК компонентом комплекса MeCP1 (см. выше).

Рис. 18.5. Белки, связывающиеся с метил-CpG

^{Пять членов белкового семейства MDB, выравненные по их MBD-доменам (пурпурный цвет). Обозначены и другие домены, в том числе домены репрессии транскрипции (TRD, transcriptional repression domains); домены СХХС, «цинковые пальцы» (предполагается участие некоторых из них в связывании неметилированных CpG); повторы GR с неизвестной функцией; гликозилазный домен с неправильным спариванием оснований T:G, участвующий в репарации дезаминирования 5-метилцитозина. Белок Kaiso не имеет домена MDB, но связывается с метилированной ДНК через «цинковые пальцы» (оранжевый цвет) и обладает доменом РОВ/ВТВ, общим с другими транскрипционными репрессорами}

Из белков MBD три — MBD1, MBD2 и МеСР2 — участвуют, как предположили, в зависимой от метилирования репрессии транскрипции (Bird and Wolffe, 1999). Как было показано, неродственный белок, Kaiso, тоже связывается с метилированной ДНК и осуществляет зависящую от метилирования репрессию в модельных системах (табл. 18.2) (Prokhortchouk et aL, 2001; Yoon et al., 2003). Понимание механизма репрессии пришло вместе с осознанием, что МеСР2 связывается корепрессорным комплексом mSin3a и зависит в своем действии от деацетилирования гистонов (Jones et al., 1998; Nan et al., 1998). Это открытие показало, что метилирование ДНК может «считываться» МеСР2 и служить сигналом к изменению структуры хроматина (рис. 18.6). С тех пор было показано, что каждый из этих четырех связывающихся с метил-CpG белков ассоциирован с отдельным корепрессорным комплексом. Особый интерес представляет MBD1, который связывается с метилтрансферазой лизина гистонов, SETDB1, лишь в ходе репликации ДНК (Sarraf and Stancheva, 2004). Продолжающееся метилирование H3K9 гистонов в последовательностях-«мишенях» хромосомной MBD1 и стабильный сайленсинг ассоциированных генов зависят от периодического рекрутирования этой активности, модифицирующей хроматин.

Знание сайтов-«мишеней» MBD в геноме является предпосылкой для понимания его биологической роли. Можно было бы ожидать, что они конкурируют друг с другом за доступ к метилированным сайтам в силу их перекрывающейся специфичности нуклеотидной последовательности ДНК. Удивительно, что связывающиеся с MBD сайты в геноме в основном не перекрывались, когда их исследовали, используя клетки первичной клеточной линии человека; это позволяет предполагать, что каждый белок, связвающийся с метил-CpG, становится «мишенью» независимым образом (Klose et al., 2005). Это соответствует появляющимся данным, показывающим, что связывание MBD обнаруживает специфичность к нуклеотидной последовательности ДНК (см. табл. 18.2). Например, МеСР2 обнаруживает сильное предпочтение к сайтам mCpG. которые фланкируются цепочкой ДНК, обогащенной AT (Klose et al., 2005). Более того, MBD1 обладает дополнительным связывающимся с ДНК доменом, специфичным к неметилированным CpG, a Kaiso узнает пару соседних мотивов mCpG (Prokhortchouk et al., 2001). Пока что лишь MBD2, по-видимому, обладает эксклюзивным сродством к mCpG.

3.4 МеСР2 и синдром Ретта

Существование множественных связывающихся с метил-CpG белков с репрессивными свойствами говорит о том, что эти белки могут быть важными медиаторами сигнала метилирования. Это наиболее поразительным образом иллюстрируется тем, что мутации в гене МЕСР2 человека оказываются ответственными за серьезное нейрологическое нарушение, называемое синдромом Ретга (Rett syndrome, RTT). RTT поражает женщин, гетерозиготных по новым мутациям в сцепленном с Х-хромосомой гене МЕСР2(табл.

18.2) (Amir et al., 1999). Благодаря инактивации случайной Х-хромосомы больные оказываются мозаиками по экспрессии либо мутантного гена, либо гена дикого типа (wt). Пораженные синдромом девочки развиваются внешне нормально 6—18 месяцев, после чего у них наступает кризис, после которого они остаются с сильно нарушенными моторными навыками, повторяющимися движениями рук, аномальным дыханием, микроцефалией и другими симптомами (табл. 18.2). Мужчины, гемизиготные по таким же мутациям, не выживают. Лишенные Меср2мыиш рождаются и развиваются нормально на протяжении нескольких недель, но в возрасте 6 недель приобретают ряд нейрологических симптомов, которые в возрасте приблизительно 10 недель приводят их к гибели. Несколько особенностей этого задержанного фенотипа, который полностью пенетрантен, напоминают синдром Ретга у человека (Amir et al., 1999). Условная делеция гена Меср2, затрагивающая только мозг мыши, вызывает те же симптомы, что и делеция Меср2 в целой мыши (табл. 18.2) (Chen et al., 2001; Guy et al., 2001). Следовательно, хотя MeCP2 экспрессируется клетках такой мыши повсеместно, «нулевой» по Меср2 фенотип, по-видимому, полностью обусловлен его отсутствием в мозге. В соответствии с этим открытием, биохимические и иммуноцитохимические исследования позволили установить, что самые высокие уровни экспрессии МеСР2 — в мозге, особенно в нейронах. Существенно, что экспрессия МеСР2 в одних только нейронах предотвращает появление этого мышиного фенотипа (Luikenhuis et al., 2004).