Метилирование ДНК в регуляции транскрипции

Единственной известной генетически запрограммированной ковалентной модификацией ДНК у высших эукариот является метилирование остатков цитозина в положении 5 с образованием 5-метилцитозина (5-mC). Эта реакция катализируется ферментом (цитозин-5)-ДНК-метилтрансферазой (Мтазой), который обнаружен у прокариот и эукариот. Каталитический механизм действия этих ферментов был подробно изучен на примере бактериальной метилазы M.Hha I, которая модифицирует соответствующий сайт рестрикции. С помощью рентгеноструктурного анализа было показано, что после взаимодействия Мтазы со специфическим участком ДНК остаток модифицируемого цитозина выпячивается из двойной спирали и образует ковалентную связь с полипептидной цепью фермента в положении С6. В этом промежуточном комплексе активированный атом углерода С5 акцептирует метильную группу S-аденозилметионина, выступающего в качестве кофактора. Полипептидные цепи Мтаз эукариот содержат на своих N-концах большой домен, который обеспечивает ядерную локализацию ферментов, их доставку к репликативным вилкам, ответ ферментов на регуляторные воздействия.

Большинство прокариотических Мтаз способны метилировать ДНК de novo, распознавая неметилированные палиндромные гексануклеотидные последовательности. Они также метилируют последовательности, в которых одна цепь ДНК уже содержит метильные группы. В отличие от этого эукариотические Мтазы относятся к "поддерживающим" ферментам, которые узнают и метилируют только наполовину метилированные последовательности, формирующиеся во время репликации ДНК, когда вновь синтезированная цепь неметилирована. У млекопитающих остатки С метилируются преимущественно в составе динуклеотидов CpG, однако в последнее время описаны случаи метилирования и последовательностей CpNpG. В геноме позвоночных животных метилировано ~ 70% динуклеотидов CpG и ~6–7% всех остатков цитозина.

"Поддерживающие" Мтазы животных обладают небольшой способностью осуществлять метилирование ДНК и de novo в полностью неметилированных участках, а также искусственных субстратов (олигонуклеотидов), содержащих ошибочно спаренные основания. Остается непонятным, является ли указанное свойство Мтаз достаточным для осуществления метилирования de novo обширных участков генома в эмбриогенезе или же этот процесс происходит с участием других ферментов. Известно, что гомозиготные делеции в гене Мтазы у мышей вызывают гибель зародышей в раннем эмбриогенезе, что указывает на важную роль метилирования ДНК в онтогенезе млекопитающих. Однако даже у таких мутантных эмбрионов небольшая часть последовательностей ДНК метилирована.

Метилирование остатков цитозина оказывает влияние на структурные характеристики ДНК. Это проявляется в облегчении перехода метилированных участков ДНК из B-формы в Z-форму, увеличении шага спирали ДНК и изменении кинетики образования крестообразных структур. Метильная группа 5-mC выступает на поверхности большой бороздки ДНК, находящейся в B-форме, и увеличивает ее гидрофобность, что в ряде случаев является решающим фактором при взаимодействии белков с соответствующими участками ДНК.

Регуляция экспрессии генов с помощью метилирования ДНК. Метилирование остатков C может оказывать влияние на транскрипцию как непосредственно через изменение эффективности связывания позитивных и негативных факторов транскрипции со своими регуляторными участками на ДНК, так и опосредованно через формирование неактивных в транскрипционном отношении участков хроматина. Поскольку 5-mC структурно подобен тимину, метилирование остатков C может сопровождаться возникновением новых консенсусных последовательностей для некоторых факторов транскрипции. В частности, метилирование превращает низкоаффинный сайт связывания фактора транскрипции AP-1 (CGAGTCA) в высокоаффинный сайт (mCGAGTCA), который соответствует консенсусному сайту для этого фактора (TGAGTCA). Также неоднократно описано ингибирование взаимодействия некоторых белков с ДНК в результате метилирования CpG-последовательностей в сайтах их связывания (табл. I.15).

Таблица I.14

Факторы транскрипции позвоночных, на активность которых оказывает влияние метилирование остатков цитозина в узнаваемых ими регуляторных последовательностях нуклеотидов

В табл. I.15 представлены только консенсусные последовательности, узнаваемые соответствующими факторами транскрипции с подчеркнутыми динуклеотидами CpG, метилирование которых оказывает влияние на взаимодействие факторов с ДНК. Интересно, что фактор Sp1, необходимый для инициации транскрипции на промоторах многих генов домашнего хозяйства, может связываться с метилированными и неметилированными консенсусными последовательностями и, кроме того, предотвращать метилирование соседних последовательностей нуклеотидов. Поскольку Sp1 обнаружен у высших эукариот, ДНК которых содержит 5-mC, предполагают, что данный фактор может играть специфическую роль в регуляции метилирования ДНК у этих организмов.

Известные промоторы, за небольшим исключением (например промотора гена главного комплекса гистосовместимости H-2K), неактивны в метилированном состоянии. Единственная метильная группа, введенная в промотор гена тимидинкиназы вируса простого герпеса или в С-промоторы вируса Эпштейна–Барр, может оказывать большое негативное влияние на транскрипцию. Уровень подавления активности других промоторов, в частности промоторов a- и g-глобиновых генов человека или промотора мышиного гена MyoD1, находится в прямой зависимости от числа введенных в них метильных групп, но не от их положения в промоторах. Ингибирование транскрипции, вызванное частичным метилированием промоторов, может преодолеваться с помощью энхансеров, однако полностью метилированные промоторы не реактивируются энхансерами и сохраняют свое репрессированное состояние, несмотря на присутствие последних. На основании такого рода данных высказывается предположение, что метилирование ДНК регулирует транскрипцию по принципу "все или ничего" и не обеспечивает тонкой регуляции экспрессии генов.

Влияние метилирования ДНК на структуру хроматина. Характер метилирования ДНК может оказывать решающее влияние на структуру хроматина и фазирование (phasing) нуклеосом. Термином "фазирование" обозначают неслучайное расположение нуклеосом относительно конкретной последовательности нуклеотидов ДНК в определенных участках генома. Большинство нуклеосом генома животных располагаются на ДНК случайно. В редких случаях фазирования последовательности нуклеотидов упаковываются в нуклеосомы одним и тем же способом во всех клетках организма, что может оказывать влияние на эффективность транскрипции и репликации ДНК в соответствующих локусах. В настоящее время у млекопитающих описано несколько белков, которые взаимодействуют преимущественно с метилированной ДНК. К ним относятся, например вирусный белок MDBP1 (Major DNA-Binding Protein) и белки человека MeCP1/2 (Methyl-CpG-Binding Protein), а также комплекс белков MDBP2 и гистона H1. Если белок MeCP2 для своего взаимодействия требует присутствия в соответствующем участке ДНК только одного метилированного CpG, то белок MeCP1 связывается с ДНК лишь при наличии нескольких метилированных динуклеотидов. С использованием специфических антител было установлено, что белок MeCP2 локализован преимущественно в G-полосах гетерохроматина метафазных хромосом. Гомозиготные делеции в гене этого белка летальны для мышей, что указывает на важную роль MeCP2 в эмбриогенезе животных. Комплекс MDBP2–гистон H1 может связываться с участком ДНК, содержащим единственный метилированный CpG, и ингибировать транскрипцию. При этом белково-нуклеиновое взаимодействие усиливается после фосфорилирования белков.

Ярким примером подавления экспрессии генов путем формирования хроматина, структурированного специфическим образом, является уже обсуждавшаяся выше инактивация одной из X-хромосом самок млекопитающих. Большинство генов неактивной X-хромосомы прекращает свою экспрессию в раннем эмбриогенезе независимо от наличия в ней CpG-последовательностей. При этом метилирование ДНК и ацетилирование гистона H4 усиливают и стабилизируют репрессированное состояние неактивной X-хромосомы.

Активация генов, входящих в состав неактивного хроматина, требует изменения структуры хроматина и деметилирования ДНК. Обнаружены белковые комплексы, способные реактивировать неактивный хроматин. Деметилирование может происходить пассивно через подавление функционирования поддерживающих Мтаз. В этом случае дочерние цепи ДНК, образующиеся в процессе репликации, остаются неметилированными, что приводит к полному деметилированию ДНК после двух раундов репликации. Активное деметилирование ДНК происходит с участием специфических ферментов – деметилаз.

Гены, входящие в состав неактивного хроматина, в большинстве своем недоступны действию факторов транскрипции. Формирование неактивного хроматина через метилирование специфических последовательностей приводит к уменьшению линейных размеров генома и числа регуляторных последовательностей, доступных факторам транскрипции. Следствием этого является снижение неспецифических взаимодействий регуляторных белков с соответствующими последовательностями генов, что, в свою очередь, уменьшает уровень информационного шума в генетической системе, который может появляться в результате неконтролируемой транскрипции. В этой связи высказывается предположение о важной роли не только генетических, но и видоспецифических эпигенетических изменений в эволюции высших эукариот. Действительно, наследуемый характер паттернов метилирования геномной ДНК способствует стабилизации и распространению в популяциях специфических структур хроматина, а изменение паттернов через эпигенетические мутации может быть одним из путей повышения пластичности генетической информации и ее разнообразия, что может служить материалом для естественного отбора.

CpG-островки. Для генома эукариот характерно наличие изохор (isochores) – протяженных последовательностей, обогащенных GC- или AT-парами. GC-богатые изохоры локализуются в рано реплицирующихся участках хромосом и ассоциированы с R-сегментами (полосами), выявляемыми при их дифференциальной окраске. AT-богатые изохоры реплицируются в поздней S-фазе клеточного цикла и часто обнаруживаются в G-сегментах хромосом. CpG-Островки (CpG islands) представляют собой GC-богатые последовательности (60–70% GC) длиной не менее 200 п.о. с большим числом динуклеотидов CpG. Они локализуются преимущественно в R-сегментах и поддерживаются в неметилированном состоянии в клетках зародышевой линии и нормальных соматических тканей. Исключение составляют островки в генах, подвергнутых импринтингу, в генах инактивированных X-хромосом, а также в повторяющихся элементах генома LINE и SINE (например Alu), где они сильно метилированы. Полагают, что именно неметилированное состояние CpG-островков стабилизирует их структуру в эволюции генома из-за более низкой скорости мутирования по сравнению с 5-mC, который в результате дезаминирования часто превращается в тимин со всеми вытекающими отсюда мутагенными последствиями. В гаплоидном геноме человека обнаруживают ~ 45000 CpG-островков, и считается, что большинство из них ассоциировано с генами. Промоторы многих генов домашнего хозяйства содержат неметилированные CpG-островки.

В настоящее время непонятен механизм поддержания CpG-островков в неметилированном состоянии. Поскольку Мтаза обладает способностью метилировать их in vitro, структурные особенности ДНК сами по себе не способны это обеспечивать. Считается, что в поддержании неметилированного состояния островков участвуют специфические белки хроматина. Хроматин CpG-островков не содержит гистона H1, а гистоны H2A и H2B в этих участках хроматина недоацетилированы. Кроме того, CpG-островки часто содержат сайты связывания фактора транскрипции Sp1, который, взаимодействуя как с метилированными, так и неметилированными сайтами, предотвращает их исходное или дальнейшее метилирование. Полагают, что именно этот фактор может играть ключевую роль в постоянном поддержании генов домашнего хозяйства в неметилированном активном состоянии.

Для соматических клеток, растущих в первичной культуре, характерно быстрое изменение характера метилирования ДНК. Это изменение часто связывают с ограниченным пролиферативным потенциалом культивируемых клеток и их старением как in vivo, так и in vitro. Многие гены культивируемых клеток гиперметилированы, а отдельные CpG-островки аутосом, поддерживаемые in vivo в неметилированном состоянии, переходят в метилированное состояние. Полагают, что гиперметилирование ДНК и инактивация многих генов культивируемых клеток являются следствием отбора, направленного на выключение экспрессии генов, которые не требуются безусловно для выживания клеток в культуре. Кроме того, в культуре происходит отбор клеток на способность к быстрому делению, поскольку быстро делящиеся клетки вытесняют медленно пролиферирующие. Поэтому гены, вызывающие задержку клеточного цикла и терминальную дифференцировку клеток, например p16 или MyoD1, быстро инактивируются у культивируемых клеток под действием мутаций или гиперметилированием.

Роль метилирования ДНК в дифференцировке клеток. Для разных органов и тканей организма характерны специфические наборы (паттерны) метилированных последовательностей ДНК. Такой мозаицизм в метилировании последовательностей генома не является следствием одних только ошибок функционирования системы метилирования, поскольку паттерны метилирования ДНК в гомологичных тканях разных индивидуумов обладают большим сходством. В этой связи можно говорить о тканеспецифическом характере метилирования ДНК, которое обеспечивается координированным функционированием системы метилаз и деметилаз в онтогенезе организма.

В экспериментах на культурах клеток было показано, что изменение паттернов метилирования под действием веществ, вызывающих деметилирование ДНК, например 5-азацитидина, может изменять дифференцированное состояние клеточных линий. В частности, инкубация эмбриональных фибробластов мышей с 5-азацитидином сопровождается их превращением в миобласты, адипоциты и хондроциты. Точно так же дифференцировка клеток эритролейкемии Френд может быть запущена с помощью деметилирующих агентов. Полагают, что в этих случаях в процессе деметилирования ДНК происходит активация генов-регуляторов, детерминирующих дифференцированное состояние клеток, которые, в свою очередь, индуцируют экспрессию всех остальных генов, необходимых для поддержания дифференцированного состояния. Экспрессия конкретных доминантных генов, ответственных за дифференцировку отдельных групп клеток в определенном направлении, должна жестко контролироваться и быть блокированной в клетках других типов. Метилирование ДНК может обеспечивать такое установление неактивного состояния генов дифференцировки и его поддержание в ряду клеточных поколений, т.е. контролировать стабильность дифференцированного состояния соматических клеток организма.

Отцовский импринтинг и аллельное исключение. При отцовском импринтинге, как об этом уже упоминалось выше, экспрессия некоторых генов в дочерних соматических клетках зависит от того, локализованы ли они на отцовских или материнских хромосомах. При этом часто наблюдают различный характер метилирования отцовских и материнских хромосом. У мышей известны ~15 областей хромосом, подвергнутых импринтингу. У многих генов с таким эпигенетическим наследованием обнаружены прямые повторы, которые, как полагают, могут быть задействованы в установлении и поддержании импринтинга. Локализация нескольких генов, в регуляции экспрессии которых задействован импринтинг, в одном и том же участке хромосомы 16 указывает на то, что в установление импринтинга могут быть вовлечены целые домены хромосом.

При аллельном исключении происходит инактивация одного из аллелей, приводящая к функциональной гемизиготности соответствующего гена независимо от его происхождения со стороны родителей. Под гемизиготностью диплоидных организмов или отдельных соматических клеток понимают представленность одного или нескольких генов только одним аллелем, что может быть следствием анеуплоидии (потери одной или нескольких хромосом), делеции или функциональной инактивации второго аллеля. Гемизиготное состояние характерно, в частности для генов X-хромосом самок млекопитающих отдельных соматических клеток, где одна из X-хромосом инактивирована случайным образом. Феномен аллельного исключения описан для генов иммуноглобулинов животных, лишь один из аллелей которых претерпевает продуктивную перестройку под действием V-D-J-рекомбиназы в отдельных лимфоцитах развивающегося организма. Метилирование ДНК оказывает влияние на объединение V-D-J-сегментов генов и, возможно, играет ключевую роль в их аллельном исключении.

Обычно аллельное исключение тонко регулируется в онтогенезе. Однако теоретически аналогичный механизм может реализовываться в результате постепенно накапливаемых случайных ошибок метилирования на протяжении жизни организма. Накопление ошибок метилирования сверх определенного уровня должно сопровождаться выключением соответствующего аллеля на фоне нормального функционирования другого аллеля в конкретной соматической клетке. Происхождение часто обнаруживаемых частично метилированных CpG-сайтов в ДНК различных тканей объясняют такими ошибками метилирования, получившими название эпимутаций. На фоне эпимутаций может легко произойти инактивация единственного оставшегося аллеля дикого типа под действием обычных мутаций или в результате гиперметилирования, что приведет к полному подавлению экспрессии соответствующего гена.

Метилирование как механизм инактивации чужеродной и повторяющейся ДНК у эукариот. Т. Бестором (1990 г.) было высказано предположение о том, что метилирование ДНК у эукариот может выполнять защитную функцию, предохраняя организм от чужеродной ДНК и избытка эндогенных повторяющихся последовательностей. Поскольку у эукариот не описано ферментов рестрикции, специфичных в отношении GpC-последовательностей, предполагается, что такие защитные механизмы осуществляют инактивацию чужеродной ДНК, а не ее деградацию, как это имеет место у бактерий. Экспериментально установлено, что ДНК из внешних источников, например вирусная ДНК или ДНК, введенная в клетки с помощью трансфекции, а также эндогенная ДНК ретротранспозонов и повторяющихся последовательностей (в частности LINE и SINE) могут быть объектом метилирования de novo, приводящего к их генетической инактивации. Например, интеграция ДНК аденовирусов в эукариотический геном сопровождается ее постепенным метилированием. То же характерно и для латентного состояния некоторых других вирусов, которое поддерживается через метилирование остатков цитозина в ДНК их геномов Мтазами клетки-хозяина. Другим примером функционирования этого механизма является гиперметилирование трансгенов, интегрированных в геном организма-реципиента в большом числе копий.

Механизмы, которые позволяют высшим эукариотическим организмам избирательно распознавать и инактивировать чужеродную и повторяющуюся ДНК, не совсем понятны. Полагают, что Мтазы преимущественно распознают молекулы ДНК, формирующие необычные пространственные структуры, например петли или ошибочно спаренные нуклеотиды. В случае повторяющихся последовательностей мишенями Мтаз при метилировании de novo могут быть интермедиаты, образующиеся во время их рекомбинации друг с другом. У гриба Ascobulus immersus повторяющиеся последовательности эффективно распознаются и инактивируются в результате метилирования под действием механизма, получившего название премейотически индуцированного метилирования (methylation induced premeiotically – MIP). Аналогичный механизм у гриба Neurospora crassa назван мутагенезом, индуцированным повторяющимися последовательностями (repeat induced point mutations – RIP). В этом случае остатки цитозина в повторах либо метилируются ферментными системами гриба, либо превращаются в мутантные остатки тимина. Вообще, остатки С, которые являются мишенями для Мтаз, мутируют в геноме эукариот по механизму дезаминирования и превращения в остатки тимина гораздо чаще, чем другие остатки цитозина. Это позволяет рассматривать метилирование как постоянно функционирующий механизм эукариот, инактивирующий чужеродные и повторяющиеся последовательности ДНК с помощью таких мутаций.

Все рассмотренные выше регуляторные механизмы, контролирующие экспрессию генов, функционируют на одном из самых важных этапов реализации генетической информации – на уровне транскрипции. Однако и другие этапы передачи генетической информации являются важными объектами многочисленных регуляторных воздействий.