Репликация днк: учебное пособие
Регуляция экспрессии и модуляция
жүктеу/скачать 2,57 Mb. Pdf көрінісі
|
|
7.2. Регуляция экспрессии и модуляция активности метилтрансфераз В связи с участием метилирования ДНК в переключении различных генетических про- грамм клетки, должны существовать и механизмы регуляции экспрессии и модуляции актив- ности самих ДНК-метилаз. Исследование этих механизмов находится пока на начальной стадии. Отмечена скоординированная транскрипция генов ДНК-метилаз DNMT1, DNMT3A и DNMT3B в нормальных тканях человека, однако она нарушена в опухолях. При этом на фоне умеренного повышения экспрессии генов DNMT1 и DNMT3А наблюдается значитель- ное повышение экспрессии гена DNMT3B. Сложная структура генов эукариотических ДНК- метилаз и кодируемых ими белков предполагает наличие у них разнообразных регуляторных элементов. На генном уровне одним из способов регуляции экспрессии этих генов является альтернативный сплайсинг и транскрипция с разных промоторов. Так, ген DNMT1 мыши (>56 тпн) состоит из 39 экзонов размером от 32 до 352 пн. Большая изоформа ДНК-метилазы Dnmt1 транслируется с третьего АТG-кодона первого экзона, она присутствует в эмбрио- нальных стволовых клетках и соматических тканях, а короткая изоформа транслируется с четвертого АТG-кодона четвертого экзона и обнаружена в ооцитах и преимплантированных эмбрионах. Два секс-специфических экзона гена DNMT1 контролируют его экспрессию в ооцитах млекопитающих. Вероятно, различные изоформы ДНК-метилаз могут обладать разной суб- стратной специфичностью. Транскрипция человеческого гена DNMT1 может происходить с одного главного и трех минорных участков инициации и регулироваться независимыми про- моторами и энхансерами, что соответствует существованию различных изоформ этого фер- мента в зародышевых и соматических клетках. Область главного промотора гена DNMT1 Р1 отличается высоким содержанием последовательностей СрG, характерным для «хаус-кип- пинг» генов, а область минорных промоторов Р2—Р4 – дефицитом этих последовательно- стей. Показана тканеспецифичность и различных изоформ ДНК-метилазы DnmtЗb человека. Метилирование самого ДНК-метилазного гена может регулировать его экспрессию. В эмбриональных стволовых клетках мышей с высокой экспрессией гена DNMT1 все динук- леотиды СрG в его промоторной области не метилированы, в то время как в дифференци- рованных клетках и тканях они метилированы. Между промоторами Р1 и Р2—Р4 располо- жены три энхансера, активируемых протоонкогенным сигналом Ras-с-jun и репрессируемые супрессором опухолей Rb. Таким образом, регуляция транскрипции гена DNMT1 играет существенную роль в реализации нормальных и онкогенных программ клетки. В структуре гена DNMT1 мыши содержится регуляторный элемент АР-1, активируемый Ras-jun-прото- онкогенным сигнальным путем. В АР-1-регуляторной области расположены 29 динуклео- тидов СрG, выполняющих функцию сенсора состояния метилирования генома. Выдвинута гипотеза о регуляции экспрессии гена DNMT1 по принципу обратной связи. Согласно этой гипотезе конечный продукт реакции метилирования, т. е. метилированная ДНК, регулирует экспрессию гена DNMT1 в цис-положении. Эта гипотеза объясняет парадоксальное явление сосуществования в раковых клетках общего недометилирования ДНК и высокого уровня ДНК-метилазной активности. В ядре растительной клетки существует система контроля метилирования ДНК фито- гормонами. Добавление к ядерным экстрактам проростков пшеницы гиббереллина, 6-бен- зиламино-пурина и фузикокцина повышает на 30–65 % уровень метилирования ДНК пше- ницы. В то же время эти фитогормоны не оказывают стимулирующего воздействия на активность частично очищенных ДНК-метилазных препаратов, что указывает на их опо- средованное действие через ядерные белки. Как отмечено выше, в N-концевом домене И. М. Спивак. «Репликация ДНК: учебное пособие» 100 большинства эукариотических ДНК-метилаз присутствуют разнообразные функционально значимые последовательности, определяющие их ассоциацию с ядерными белками. Это поз- воляет предположить, что происходит регуляция активности ДНК-метилаз на уровне белок- белковых взаимодействий. Так, супрессор опухолей Rb способен модулировать активность метилазы Dnmt1 человека. Модификация метилазы Dnmt3a убиквитиноподобным пептидом SUМО-1 модулирует ее взаимодействие с деацетилазами гистонов и функцию транскрипционного репрессора. Метилаза Dnmt3b также модифицируется пептидом SUМО-1. В настоящее время изучается роль метилирования ДНК в иерархии процессов установки эпигенетического статуса хро- матина. Так, метилирование ДНК растений в последовательностях СрNрG контролируется первичным метилированием гистона НЗ. Этот процесс осуществляется через взаимодей- ствие хромометилазы СМТЗ с гомологом гетерохроматинового белка НР1, который, в свою очередь, взаимодействует с метилированным лизином 9 гистона НЗ (НЗК9), модифициро- ванным специфической лизиновой гистон-НЗ-метилтрансферазой. У N.сrassа экспрессия активности ДНК-метилазы dim-2 контролируется также гистоновой Н3К9-метил-трансфе- разой. В свою очередь, метилирование Lys9 в гистоне НЗ может зависеть от первичного метилирования в ДНК последовательностей СрG. В последнее время установлено, что у большинства эукариотических организмов геномное метилирование осуществляют множе- ственные ДНК-метилазы, специфически участвующие в различных генетических процес- сах, причем иногда даже без проявления своей каталитической метилтрансферазной функ- ции. В клетках низших эукариот, обладающих только одной ДНК-метилазой. этот фермент способен выполнять множественные функции и модифицировать цитозин в различных спе- цифических последовательностях ДНК за счет действия модулирующих факторов. Особый тип контроля метилирования ДНК осуществляется на уровне ДНК-белковых взаимодействий. Так, фактор транскрипции Sр1 часто ассоциируется с неметилированными СрG-островками в промоторах хаус-киппинг-генов, запрещая de novo метилирование таких СрG-островков и поддерживая конститутивную экспрессию этих генов. Делеция промотор- ной области гена АРRТ с GС-боксами или мутации в них Sр1-узнаваемых последовательно- стей с СрG-сайтами приводили к метилированию de novo СрG-островков этого гена. Белки, так или иначе связанные с функционирование ДНК-метилаз приведены в табл. 5. В то же время белки, связывающиеся с метилированной ДНК, могут поддерживать ее метилированное состояние. Поэтому следует отметить существование особого класса ДНК(m 5 СрG) – связывающихся белков. Вероятно, такие белки могут опосредовать жесткую обратную связь между СрG– и СрNрG-типами метилирования специфических генетических областей. Также эти белки могут определять безальтернативный СрG-типа гиперметилиро- вания при некоторых формах рака. Таблица 5 Белки, ассоциированные с метилтрансферазами И. М. Спивак. «Репликация ДНК: учебное пособие» 101 Для диагностики, прогнозирования и терапии заболеваний, связанных с аномальным метилированием ДНК, также важен вопрос о статусе различных сайт-специфических типов метилирования в картине метилирования генома в норме и при патологии. Надо отметить, что в клетке ДНК-метилазы действуют не на уровне простых ДНК-белковых комплексов, а на уровне ДНК в структуре сложно устроенного хроматина. Именно на уровне хроматина окончательно реализуются взаимосвязи между модификацией генома и многочисленными эпигенетическими модификациями белков хроматина. В настоящее время детально изуча- ется причинно-следственная взаимосвязь метилирования ДНК и модификаций ядерных бел- ков в процессах организации хроматина. Дальнейшие исследования структурно-функциональной картины метилирования эука- риотического генома и путей его регуляции имеют большое значение для понимания моле- кулярных основ эпигенетических процессов. |