Эпигенетика: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

С учетом роли МеСР2 как транскрипционного репрессора привлекательная гипотеза, объясняющая это заболевание, заключается в том, что гены в мозге, которые должны быть сайленсированы МеСР2, в его отсутствие избегают репрессии, и это приводит к аберрантной функции нейронов. Первый идентифицированный ген млекопитающих, служащий «мишенью» для МеСР2, кодирует нейротрофный фактор мозга (Bdnf) (Chen et al., 2003; Martinowich et al., 2003). Bdnf принадлежит к группе белков, синтезируемых в ответ на активность нейронов; полагают, он важен для превращения временных стимулов в долговременные изменения в активности мозга. Поэтому можно предполагать, что его неправильная регуляция играет роль в патологии RTT. Сообщалось об измененной экспрессии нескольких других генов у мышей, но масштабы этих эффектов невелики (менее чем трехкратные). Тем не менее, возможно, что одно или несколько этих изменений также вносят вклад в фенотип RTT.

3.5. MBD2 опосредует зависящую от метилирования репрессию транскрипции

MBD2 является связывающимся с ДНК компонентом MeCP1 (см. табл. 18.2), который, рассматривался вначале как репрессор транскрипции в клеточных экстрактах (Meehan et al., 1989; Boyes and Bird, 1991). MeCP1 — крупный мультибелковый комплекс, включающий корепрессорный комплекс NuRD (или Mi-2) и MBD2 (Wade et al., 1999). В состав NuRD входят деацетилазы гистонов (HDAC) и крупный белок ремоделинга хроматина (Mi-2). NuRD может рекрутироваться к ДНК несколькими связывающимися с ДНК белками помимо MBD2. (Интересно, что MBD3, который похож на MBD2, но не связывается с метилированной ДНК, является компонентом комплекса NuRD.) Клетки, не имеющие MBD2, не способны эффективно репрессировать метилированные репортерные конструкты, несмотря на присутствие в этих клетках других связывающихся с метил-CpG белков; это говорит о том, что это важный компонент системы репрессии (Hendrich et al., 2001). Недостаточные по MBD2 мыши жизнеспособны и фертильны, хотя и обнаруживают дефекты в материнском поведении (Hendrich et al., 2001), а тщательное исследование позволило обнаружить отклонения в тканеспецифичной экспрессии генов. Экспрессия генов interleukin-4 и interferon-? в ходе дифференцировки Т-хелперных клеток существенно нарушена (Hutchins et al., 2002). Например, значительное число клеток Thl, которые должны были бы экспрессировать только interferon-?, экспрессировали также interleukin-4 (табл. 18.2). Поскольку было обнаружено, что MBD2 связан с геном interleukin-4, вполне вероятно, что его отсутствие ослабляет репрессию этого гена в клетках Thl.

4. Метилирование ДНК, мутации и стабильность хромосом

4.1. Метилирование ДНК и мутации

Преимуществам метилирования ДНК как эпигенетической системы клеточной памяти противостоит недостаток, связанный с мутабильностью 5-метилцитозина. Цитозин (С) дезаминируется спонтанно, давая урацил (U), который затем неправильно спаривается с гуанином (Lindahl, 1974). Эта потенциальная мутация распознается урациловыми ДНК-гликозилазами, которые эффективно удаляют несоответствующее основание и инициируют репарацию, чтобы восстановить С на месте U. Однако, когда дезаминируется 5-метилцитозин, образуется тимин (Т). Результатом этого также оказывается неправильное спаривание, но тот факт, что Т, в отличие от U, является природным основанием ДНК, по-видимому, интерферирует с эффективным устранением повреждения. В результате мутантное тиминовое основание может сохраняться при репликации ДНК и передается дочерним клеткам как мутация типа транзиции С к Т. Мутации этого рода являются, по-видимому, одной из наиболее частых единичных причин генетического заболевания у людей, поскольку приблизительно одна треть всех точечных мутаций являются транзициями С к Т в последовательностях CpG (Cooper and Youssoufian, 1988). Эту нестабильность CpG в эволюционных масштабах демонстрирует далее 4—5-кратная недостача CpG в геноме млекопитающих (Bird, 1980). Единственным исключением оказываются островки CpG, в которых CpG не метилированы и поэтому стабильны.

Среди белков, связывающихся с метил-CpG, MBD4 остается пока уникальным в том отношении, что он обладает ферментативной активностью. Карбокситерминальный домен MBD4 является ДНК-гликозилазой, которая может in vitro избирательно удалять Т из неправильно спаренных Т—G (Hendrich et al., 1999). Эту активность можно было бы ожидать от системы репарации ДНК, которая исправляет дезаминирование 5-метилнитозина. В подтверждение этой гипотезы мыши, лишенные MBD4, обнаруживают повышенную мутабельность метилированных остатков цитозина в хромосомной репортерной последовательности (Millar et al., 2002). Кроме того, мыши, лишенные Mbd4, приобретают мутации типа транзиций С к Т в гене аденоматозного полипоза coli (АРС) и обладают повышенной частотой кишечных новообразований (табл. 18.2). Стоит отметить, что несмотря на существование специальной системы репарации, сайты метилирования цитозина сохраняются как «горячие точки» для мутаций.

Рис. 18.6. Гипотетический переход между активным, неметилированным генным промотором и репрессированным промотором, «молчание» которого обусловлено метилированием ДНК, опосредованным МеСР2

^{Эта переходная фаза представляет собой промежуточный этап, во время которого транскрипция сайленсирована и происходит метилирование ДНК. Предполагается, что МеСР2 рекрутирует комплекс деацетилазы гистонов (HDAC) Sin3A и активность метилтрансферазы лизинов гистонов (НКМТ) к метилированным сайтам. Кроме того, имеются некоторые данные о том, что МеСР2 может прямо репрессировать транскрипцию путем контакта с комплексом инициации транскрипции (DR). Другие связывающиеся с метил-CpG белки взаимодействуют с разными корепрессорами, включающими активность НКМТ и (или) HDAC, и потенциально рекрутируют их}

4.2. Метилирование ДНК и нестабильность хромосом

Хотя метилирование ДНК является явно мутагенным, имеются данные, что его наличие выгодно в отношении стабильности хромосом. Мыши, обладающие примерно 10 % от нормального уровня метилирования ДНК благодаря гипоморфной мутации Dnmtl, приобретают агрессивные Т-клеточные лимфомы, которые нередко демонстрируют трисомию по хромосоме 15 (Gaudet et al., 2003). Мутации DNMT3B у пациентов с синдромом ICF или инактивация Dnmt3b у мышей приводят к различным хромосомным аберрациям, в том числе слиянию хромосом, разрывам и анеуплоидии (Ehrlich, 2003; Dodge et al., 2005). Эти результаты представляют интерес потому, что рак часто обнаруживает пониженные уровни метилирования ДНК, что может вносить свой вклад в инициацию или прогрессию опухолей. Одно возможное объяснение этих результатов заключается в том, что метилирование ДНК вносит вклад в точное расхождение хромосом и в его отсутствие чаще имеет место нерасхождение, приводящее к хромосомным нарушениям. Альтернативная возможность состоит в том, что метилирование ДНК может подавлять экспрессию и рекомбинацию ретротранспозонов в геноме млекопитающих, тем самым защищая хромосомы от вредоносной рекомбинации. Действительно, было показано, что метилирование ДНК играет критическую роль в сайленсировании транскрипции ретротранспозонов во время эмбрионального развития и сперматогенеза (Walsh et al., 1998; Bourc’his and Bestor, 2004).

5. Будущие направления исследований

Наше понимание биологических функций метилирования ДНК у млекопитающих постоянно растет, но еще далеко не является полным. Например, в отличие от генетических мутаций мы очень мало знаем о скорости изменений в метилировании CpG у млекопитающих и о внутренних и внешних факторах, индуцирующих изменения в паттернах метилирования ДНК. Накапливающиеся данные указывают на то, что изменения в метилировании ДНК и модификации гистонов могут вносить свой вклад в патогенез многих комплексных заболеваний. Таким образом, модуляция эпигенетических состояний обладает определенным потенциалом, чтобы стать новым терапевтическим подходом для лечения этих заболеваний. В будущем мы ожидаем больших успехов в этих важных областях исследования.

5.1. Факторы внешней среды, индуцирующие эпигенетические изменения

Твердо установлено, что паттерны метилирования ДНК генома млекопитающих в высокой степени регулируются в ходе развития. Каким образом факторы внешней среды могут влиять на метилирование ДНК и экспрессию генов — понятно в гораздо меньшей мере. Некоторые исследования последнего времени начинают проливать свет на то, как факторы внешней среды могут индуцировать эпигенетические изменения, которые могут иметь длительные биологические эффекты. Одним таким примером может служить наблюдение, что материнское поведение у крыс производит стабильные изменения в метилировании ДНК у потомства. Уивер и сотрудники сообщили, что крысята, получающие разные уровни материнской заботы, обладают различным метилированием ДНК в промоторном участке гена рецептора глюкокортикоида (GR), обнаруживающим обратную корреляцию с экспрессией GR, и эти различия сохраняются вплоть до взрослого состояния (Weaver et al., 2004). Другим примером является сообщение о том, что диета взрослой самки мыши может изменять метилирование ДНК у потомков. У мышей agouti является доминантным признаком, придающим меху коричневатую (агути) окраску. Несколько аллелей agouti viable yellow возникают спонтанно благодаря вставке перемещаемого ретровирусного элемента в этот ген. У мышей с такой аллелью экспрессия agouti контролируется длинным терминальным повтором (LTR) этого ретровирусного элемента. Окраска меха у этих мышей, варьирующая от желтой или пятнистой до агути дикого типа, определяется состояниями метилирования промотора LTR. Таким образом, в этой системе окраска меха может служить показателем метилирования ДНК. Когда беременные самки содержатся на диете, содержащей такие доноры метильной группы, как фолат, холин и бетаин, их потомство демонстрирует сдвиг окраски меха в сторону агути, что коррелирует с увеличенным метилированием промотора LTR (Cooney et al., 2002; Waterland and Jirtle, 2003). Эти результаты заставляют предполагать, что внешние факторы могут индуцировать стабильные изменения эпигенетических состояний, обеспечивая механизм, посредством которого факторы внешней среды могут вызывать долговременные биологические эффекты. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить, в какой степени эпигенетические механизмы вовлечены в во взаимодействия генов и среды у млекопитающих и как факторы внешней среды могут преобразовываться в эпигенетические состояния.

5.2. Эпигенетическая нестабильность и комплексные заболевания

Многие комплексные заболевания, такие как диабет II типа, шизофрения, аутоиммунные болезни и рак, обнаруживают наследуемый компонент, но не проявляют четкого менделевского паттерна наследования. Динамический эпигенетический механизм позволяет дать альтернативное объяснение некоторых особенностей комплексных заболеваний, в том числе позднего начала, гендерных эффектов, эффектов, связанных с происхождением от того или иного родителя, дискордантности монозиготных близнецов, и флуктуации симптомов при комплексных заболеваниях (Petronis, 2001). Хотя все увеличивающееся количество данных позволило связать аберрантное метилирование ДНК и модификации гистонов с раком, роль эпигенетических механизмов в этиологии многих других комплексных заболеваний в основном неизвестна. Сравнительные исследования общегеномных паттернов метилирования ДНК в популяциях здоровых и больных могут позволить проникнуть в эпигенетические основы разных комплексных заболеваний, при которых трудно выявить генетические мутации.

5.3. Модуляция обратимых эпигенетических состояний

Большинство, если не все эпигенетические модификации являются обратимыми, что делает модуляцию эпигенетических состояний новой потенциальной терапевтической альтернативой для рака и других заболеваний Ряд агентов, изменяющих паттерны метилирования ДНК или подавляющих HDACs, испытываются в настоящее время в клинике (Egger et al., 2004). Некоторые из них продемонстрировали многообещающие противоопухолевые эффекты. Действительно, деметилируюший агент 5-азацитидин был недавно одобрен U.S. Food and Drug Administration для лечения миелодиспластического синдрома — гетерогенного заболевания, характеризующегося морфологической дисплазией гематопоэтических клеток. Клиническое использование 5-азацитидина и других аналогов нуклеозидов ограничивается их токсичностью, отчасти потому что эти соединения включаются в ДНК Это вдохновило на поиски агентов, которые могут подавлять метилтрансферазы непосредственно или «нацеливать» другие эпигенетические регуляторы. Поскольку метилирование ДНК является всего лишь одним из компонентов сложной эпигенетической регуляторной сети, одним из подходов к тому чтобы максимизировать терапевтические эффекты и минимизировать токсичность, является комбинационная терапия, использующая ингибиторы ДНК-метилтрансфераз или HDAC в сочетании с другими противораковыми терапевтическими средствами (детали см. в главе 24).

Литература

Amir R.E., Van den Veyver LB., Wan M., Tran C.Q., Francke U., and Zoghbi H.Y., 1999. Rett syndrome is caused by mutations in X-linked MECP2, encoding methyl-CpG-binding protein 2. Nat. Genet. 23: 185–188.

Antequera F. and Bird A., 1999. CpG islands as genomic footprints of promoters that are associated with replication origins. Curr. Biol. 9: R661-667.

Aufsatz W., Mette M.F., van derWinden J., Matzke A.J., and Matzke M., 2002. RNA-directed DNA methylation in Arabidopsis. Proc. Natl. Acad. Sci. 99: 16499-16506.

Bell A.C. and Felsenfeld G., 2000. Methylation of a CTCF-dependent boundary controls imprinted expression of the Igf2 gene. Nature 405: 482–485.

Bell A.C., West A.G., and Felsenfeld G., 1999. The protein CTCF is required for the enhancer blocking activity of vertebrate insulators. Cell 98: 387–396.

Bestor T.H. and Ingram V.M., 1983. Two DNA methyltransferases from murine erythroleukemia cells: Purification, sequence specificity, and mode of interaction with DNA. Proc. Natl. Acad. Sci. 80: 5559–5563.

Bird A.R., 1978. Use of restriction enzymes to study eukaryotic DNA methylation. II. The symmetry of methylated sites supports semi-conservative copying of the methylation pattern. J. Mol. Biol. 118: 48–60.

Bird A.R., 1980. DNA methylation and the frequency of CpG in animal DNA. Nucleic Acids Res. 8: 1499–1594.

Bird A.P. and Southern E.M., 1978. Use of restriction enzymes to study eukaryotic DNA methylation. I. The methylation pattern in ribosomal DNA from Xenopus laevis. J. Mol. Biol. 118: 27–47.