[МУЗЫКА] [МУЗЫКА] Давайте обсудим, что такое ДНК метилирование. Как мы с вами знаем, ДНК в своем составе содержит четыре типа азотистых оснований: это аденин, тимин, гуанин и цитозин. В процессе исследования ДНК было выяснено также, что азотистые основания могут быть модифицированы, и наиболее известные из таких модификаций — это как раз метилирование цитозина по пятому положению с формированием так называемого пятого нуклеотида ДНК 5-метилцитозина. Такое метилирование случается, происходит в составе CpG-нуклеотидов, которые неким случайным образом распространены в нашем геноме. Всего в геноме содержится порядка 28 миллионов CpG-динуклеотидов, что, кстати говоря, в четыре раза меньше случайно ожидаемого числа. И приблизительно 70–80 % из цитозинов в составе таких CpG-динуклеотидов являются метилированными. Когда начали продолжать исследования в этой области, обнаружили, что вообще CpG-динуклеотиды распределены по геному неравномерно. И места скопления CpG-динуклеотидов были названы так называемыми CpG-островами. Какими же свойствами должен обладать такой CpG-островок? Во-первых, он должен быть протяженностью порядка 1000 пар нуклеотидов, иметь более чем 50%-ный GC-состав, повышенную представленность CpG-динуклеотидов. И всего в геноме содержится порядка 25 тысяч таких CpG-островков. Интересно отметить, что как раз таки в составе CpG-островков цитозины, как правило, не метилированы, и лишь приблизительно 10 % CpG-островков демонстирируют метильную модификацию. Вместе с тем важно отметить, что паттерн метилирования, то есть распределение метилированных CpG-динуклеотидов по геному, очень характерно для конкретных клеточных типов. И современными методами анализа это даже используют для того, чтобы отличить одну клетку от другой, например. Какие же функции ДНК-метилирования в рамках эпигенетической регуляции активности генов? В первую очередь важно отметить, что в общем и целом метилирование ассоциировано с репрессией генов. И например, если все-таки в составе промоутера содержатся метилированные CpG-динуклеотиды, то это неизбежно приводит к репрессии генов. Вообще, в принципе метилирование вызывает репрессию генов разными путями. Предполагается, что один из возможных путей — это тот факт, что метилирование мешает активирующим транскрипционным факторам связываться со своими мотивами. То есть активаторы не могут связаться с мишенями, чтобы активировать ген. Помимо этого метилирование также нарушает связывание различных архитектурных белков, которые устанавливают промоутеры на хансерное взаимодействие. А также метилирование стимулирует формирование гетерохроматина — это совокупности белков, которые вызывают генетическую репрессию. Метилирование ДНК участвует в эпигенетической регуляции таких процессов, как клеточная дифференцировка, геномный импритинг, инактивация X-хромосомы, поддержание неактивного состояния мобильных элементов генома, что способствует поддержанию стабильности генома, инактивации генов, специфичных для половых клеток в соматических клетках. Важно также отметить, что нарушение паттерна метилирования ДНК зачастую наблюдается при различных патологиях, таких как онкологические заболевания. И важно также отметить, что закономерные изменения паттерна метилирования ДНК сопровождают процессы старения организма. Таким образом, метилирование ДНК происходит не случайным образом и преобладает в областях гетерохроматина, содержащих в повторенной последовательности мобильные элементы и в основном отсутствует в промоутерных областях особенностей активных генов. Важно отметить, что паттерн метилирования значительно меняется в ходе нормального клеточного развития, а также при различных патологиях. Так, например, при злокачественной трансформации происходит метилирование промоутеров генов, которые отвечают за онкосупрессию, и наоборот, гипометилирование районов, содержащих мобильные элементы, что приводит к нестабильности генома. В нормальном развитии организма паттерн метилирования также претерпевает значительные изменения, ведь в чем суть? То есть когда у вас происходит клеточная дифференцировка, исходно клетка недифференцированная должна быть способна включать практически всевозможный набор генов. Потом же, в ходе специализации, клетка должна экспрессировать только определенный набор генов. И метилирование задействовано в том, чтобы подавлять экспрессию, в частности тех генов, которые клетке не нужны. И если мы рассмотрим в принципе паттерн, как изменяется паттерн метилирования в ходе развития организма, то после оплодотворения у нас идет глобальное деметилирование генома для того, чтобы как раз таки слабые дифференцированные клетки имели возможность развиться в любые клеточные типы. В процессе эмбриогенеза паттерн метилирования восстанавливается. И в определенный момент клетки уже обладают тем самым паттерном метилирования, который сохранится у них всю жизнь. Исключением являются только половые клетки, которые претерпевают второй раунд деметилирования генома, и это связано с необходимостью установить правильный паттерн метилирования импринтированных генов, про которые мы расскажем вам в этом курсе, но чуть позже. Что же позволяет паттерну метилирования ДНК быть таким динамичным? Все дело в том, что как любая другая эпигенетическая модификация, метилирование ДНК не перманентно. И существуют определенные ферменты, которые могут эту метку удалять, устанавливать и считывать. И в случае с установкой ДНК метильной метки существует два типа ферментов: одни из них устанавливают метилированную модификацию генома, то есть в тех местах, в которых ее не было. В случае человека это ДНК метилтрансферазы DNMT3A, DNMT3B и DNMT3L. А в случае же, когда идет речь о поддержании метильной модификации, это при репликации ДНК, когда необходимо из гемиметилированного сайта сделать гомометилированный, то за это у нас отвечает ДНК метилтрансферазы DNMT1. За активное удаление посредством окисления отвечают ферменты TET1, 2 и 3. И они способны окислять 5-метилцитозин в 5-формилцитозин и 5-карбоксилцитозин. Такие модифицированные окисленные азотистые основания уже исключаются из состава ДНК посредством механизмов препарации. Помимо активного деметилирования существуют также механизмы пассивного деметилирования, когда в ходе раундов репликации метильная метка просто разбавляется. Каким же образом на уровне молекулярных взаимодействий реализуются функциональные активности метилирования ДНК? Это происходит посредством, в частности, белков, которые способны считывать эту модификацию. И это белки, которые имеют специальный домен, который распознает метилированный цитозин. Белки называются MBD и несут порядковые номера, их несколько штук. Такие белки способны привлекать факторы ремоделинга хроматина и в первую очередь гистондеацетилазы. Все вместе это приводит к тому, что ген инактивируется. Помимо всего прочего метилирование ДНК способно способствовать формированию гетерохроматина в областях, где он располагается, что также приводит к репрессии генов. Как я уже упоминал ранее, помимо вовлечения различных факторов при моделингах хроматина и образовании гетерохроматина метилирование ДНК может непосредственно препятствовать связыванию специфических белков-активаторов и также белков, которые формируют архитектуру ядра, то есть отличаются взаимодействием промоутеров с энхансерами. И это тоже приводит к тому, что определенные гены выключаются. И это не нарушение, это в принципе регулярно использующиеся в нормальном развитии клетки механизмы. Таким образом, метилирование ДНК — это крайне важная эпигенетическая модификация, которая участвует в регуляции множества процессов. Каким образом она это осуществляет и к каким нарушениям приводят сбои в работе системы метилирования ДНК, смотрите дальше в рамках нашего курса.
