X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

В процессе развития многоклеточных организмов меняется активность генов - одни гены репрессированы, а другие активны в раннем развитии, но затухают позднее. 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. Особый интерес представляет исследования тех эпигенетических изменений, которые могут передаваться следующим поколениям. Неактивное состояние гена может быть обусловлено особой компактной структурой хроматина, вещества хромосом, представляющего собой комплекс ДНК, РНК и белков, которая образуется в результате взаимодействия ДНК со специфическими хромосомными белками. В некоторых случаях образование такой структуры хроматина объясняют метилированием или деметилирование ДНК Интенсивным исследованиям роли метилирования в регуляции генетической экспрессии, в том числе при старении, было положено ещё в 70-е годы XX века пионерскими работами Бориса Фёдоровича Ванюшина и Геннадия Дмитриевича Бердышева с соавторами. Оно представляет собой временную химическую модификацию нуклеотидной последовательности без нарушения кодирующей способности ДНК, присущую, в частности эукариотам. В этом случае обратимое метилирование рассматривается как эпимутация в отличие от мутации, вызываемой нуклеотидными заменами, нехваткой участка гена или, наконец, вставкой нуклеотидов.

Конкретно метилирование — обратимая ковалентная модификация ДНК, происходящая в результате присоединения метильной группы к углероду в 5-м положении цитозинового нуклеотида с образованием 5-метилцитозина (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 в двух нитевой ДНК разрываются, и метильная группа присоединяется к цитозину. Затем 5-метилцитозин возвращается на место цитозина напротив гуанина, водородные связи между ними восстанавливаются. Цитозин метилируется в том случае, если рядом с ним находится гуанин в сочетании CрG, где р - остаток фосфорной кислоты, связывающийся с сахарными остатками с образованием сахарофосфатного остова ДНК. После того, как произойдет репликация метилированной ДНК, новообразованная цепь не будет метилированной. Полуметилированная ДНК - это субстрат для ДНК-метилтранферазы, которая метилирует цитозин, комлементарный гуанину в новообразованной 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.

Метелирование необходимо в каждом процессе жизнедеятельности. Установлено, что нормальное развитие млекопитающих невозможно без него. 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 опасно для организма, поскольку он может спонтанно дезаминироваться, превращаясь в тимин. В таком случае при процессе синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты на матрице родительской молекулы ДНК против тимина встанет аденин и в результате гуанин-цитозин-пара превратится в аденин-тимин-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 спонтанным изменениям в структуре ДНК живых организмов, ведущим к возникновению всевозможных вредных для организма отклонений в росте и развитии. Если же дезаминируется неметилированный цитозин, то последний превращается в урацил, после чего белки с особой функцией, заключающаяся в способности исправлять химические повреждения и разрывы в молекулах ДНК, повреждённых при нормальном биосинтезе ДНК в клетке или в результате воздействия физических или химических реагентов, устраняют урацил из ДНК и вставляют на его место снова тот же цитозин. Мутация возникает только после дезаминирования митилцитозина. Тем не менее, несмотря на грозную опасность метилирования, оно сохраняется в эволюции позвоночных, но, как будет видно, поддерживается естественным отбором.

Избирательность метилирования проявляется в том, что потенциально метилируемые остатки цитозина в соседстве с гуанином (CрG), встречающиеся по длине гена, обычно метилированы. В геномах млекопитающих последовательности CрG представлены неравномерно. Мы можем обнаружить участки, где такие последовательности сгруппированы, образуя CрG-островки. Такие цитозин-гуаниновые образования занимают около одной тысячи нуклеотидных пар ДНК. Островки чаще встречаются в районах последовательностей нуклеотидов ДНК, узнаваемых РНК-полимеразой как стартовые площадки для начала специфической, или осмысленной, транскрипции генов позвоночных, распространяясь в область начала гена. С промоторной областью связываются регуляторные белки, обеспечивающие активную транскрипцию гена. Островки могут быть в значительной степени метилированы, что сопровождается инактивацией гена. В сущности, метилирование ДНК препятствует взаимодействию регуляторных белков с промотором. Оно способствует привлечению к району промотора белков, подавляющих транскрипцию. Степень репрессии активности гена пропорциональна плотности метилирования цитозинов на условную единицу длины ДНК.

Однако 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.

Актуальность изучения метилирования заключается в понятии реализации наследственной информации в процессе онтогенеза, которая в дальнейшем передается будущим поколениям. Кроме того эпигенетические изменения, как выяснилось, влияют на вероятность заболевания раком. Был разработан алгоритм для вычисления эпигенетического возраста по данным метилирования ДНК крови. Алгоритм основывается на 71 маркере метилирования ДНК, которые могут меняться в зависимости от окружающей человека среды, физических упражнений и диеты. Исследование с помощью этого алгоритма коллекции образцов крови, собранных за 15 лет, показало что те, у кого эпигенетический возраст примерно на один год старше их хронологического возраста имеют на 6% больший риск заболеть раком в течение трех лет, а те, кто примерно на 2,2 года старше своего хронологического возраста имеют на 17% повышенный риск смерти от рака в течение пяти лет.

Сопоставление данных по генотипу людей, предрасположенных к онкологическим заболеваниям, с профилем метилирования их ДНК позволило предположить, что примерно в 20% случаев наследуемого рака обнаруживается взаимосвязь между уровнем метилирования определенных локусов и полиморфизмами генов, связанных с риском заболевания раком.

Также стоит отметить участие метилирования в таком процессе, как старение. В настоящее время хорошо известно, что ландшафт метилирования геномной ДНК изменяется в зависимости от возраста. Этот процесс, называемый «эпигенетическим дрейфом», тесно связан с хронологическим возрастом и вместе с тем, по утверждению некоторых авторов, не является маркером границы количества делений соматических клеток, так как обнаруживается и в «не стареющих» стволовых клетках. Для репликативного клеточного старения найдены несколько иные эпигенетические биомаркеры также основанные на изменении метилирования ДНК в определенных местах генома. Определение эпигенетического старения по метилированию ДНК генов ITGA2B, ASPA и PDE4C позволяет определить биологический возраст человека со средним абсолютным отклонением от хронологического возраста не более 5 лет. Эта точность выше, чем возрастные прогнозы на основе длины теломер.

В процессе старения организма человека существенно снижается функциональный потенциал гемопоэтических стволовых клеток (ГСК), что способствует развитию у пожилых людей кроветворной патофизиологии. Это возрастное снижение числа ГСК и их способности к пролиферации, как оказалось, зависит в большей степени не от длины теломер, а от гиперметилирования ДНК генов

По мнению китайских исследователей, метилирование ДНК может способствовать здоровому старению человека, регулируя гены, восприимчивые к возрастным заболеваниям. Так, например, при болезни Альцгеймера активно экспрессируется ген каспазы 3 CASP3, которая участвует в расщеплении белка-предшественника бета-амилоида 4A, что ведет к гибели нейронов, тогда как у долгожителей ген CASP3 заблокирован путём гиперметилирования участка вблизи от места инициации транскрипции этого гена. Другой пример: ген рецептора интерлейкина IL1R2 имеет низкую экспрессию в случае атеросклероза, тогда как у долгожителей его активность не снижена благодаря гипометилированному участку вблизи места инициации его транскрипции.

В исследованиях последних лет большое внимание уделяется роли метилирования ДНК в развитии онкозаболеваний, их диагностике и профилактике. Этот вопрос беспокоит людей уже не один десяток лет. Направленное изменение метилирования ДНК могло бы стать действенным способом коррекции их дисфункции. Также актуальным остается вопрос о старении и продлении молодости человека, предупреждении старческих заболеваний.Для решения этих проблем необходимо продолжать изучения факторов способствующих процессам метилирования и деметилирования ДНК.

(Рисунок 1)