Метилювання ДНК

Субстратом метилювання ДНК є цитозини (метильна група приєднується до п’ятого атому кільця з утворенням 5mC – 5-метилцитозину) у складі динуклеотидів CpG (рис. 27). Узагалі, у 70 – 80 % динуклеотидних контактів CpG обидва цитозини є метильованими в еукаріотичному геномі. Зони, де підтримується деметильований стан CpG (CpG-острівці), часто розташовані в промоторах генів домашнього господарства – таких, що є активними незалежно від спеціалізації клітин.

Патерн тканино-специфічного метилювання ДНК є результатом двох процесів: підтримання метильованого статусу після реплікації та метилювання de novo. Підтримуюча ДНК-метилтрансфераза (DNA methyltransferase, Dnmt) спрацьовує протягом 1 – 2 хвилини після реплікації: дві дочірні молекули ДНК містять батьківській ланцюг ДНК (з 5mС у складі CpG) і синтезований ланцюг, де С не є метильованим. ДНК-метилтрансфераза упізнає такі напівметильовані динуклеотидні контакти й відновлює симетрію щодо метилювання С. За рахунок цього процесу патерн метилювання відтворюється в дочірніх клітинах, що є, поряд з відновленням модифікацій гістонів, одним із важливих механізмів епігенетичного спадкування.

Рис. 27. Динуклеотид CpG у ДНК – субстрат метилювання.

Інші ДНК-метилтрансферази здійснюють метилювання ДНК de novo. Особливо важливим цей процес є на ранніх стадіях ембріонального розвитку, коли ДНК є тотально деметильованою. У процесі диференціації здійснюється масове метилювання ДНК, що визначає специфічне вимикання певних груп генів у спеціалізованих клітинах. Крім того, деметилювання є можливим і в диференційованих клітинах, де Dnmt використовуються для відновлення метильованого статусу.

Отже, метилювання ДНК є ознакою репресованих і гетерохроматинових ділянок. Залучення 5mС до репресії пов’язане з наявністю у складі певних білків особливих структурних модулів – MBD (Methyl Binding Domain), які мають специфічну спорідненість до метильованих динуклеотидів CpG. Білки, що містять MBD, є компонентами різноманітних репресуючих комплексів. Зокрема, такі білки рекрутують до метильованих ділянок хроматину гістондеацетилази. З іншого боку, деацетильований стан гістонових хвостів блокує деметилюючі активності, і навпаки –– ацетилювання хвостів може викликати деметилювання ДНК у активних ділянках.

Аналогічно, білки, що містять MBD, рекрутують гістонметилтрансферазу, яка здійснює метилювання Lys₉ гістону Н3, що призводить до репресії (рис.25, 26). І навпаки: MeLys₉ упізнається білком, що містить хромодомен і рекрутує ДНК-метилтрансферазу.

Хоча MeLys₉ та 5mС є загальними маркерами конститутивно репресованих ділянок хроматину, не завжди репресія та додаткова компактизація залежить від НР1 – реалізуються також інші системи, більшість з яких є ще не достатньо вивченими. Прикладом такої системиє інактивація однієї з Х-хромосом у клітинах самок ссавців. У складі Х-хромосоми, яка буде інактивованою (обирається випадково на ранніх стадіях розвитку), спрацьовує ген Xist, що продукує велику некодуючу молекулу РНК. Ці РНК укривають собою хромосому і взаємодіють з деякими білками, серед яких – варіант гістону Н2А macroH2A. Імовірно, macroH2A рекрутує гістонметилтрансферазу (здійснюється метилювання Lys₉ гістону Н3) і гістондеацетилазу. Метилювання Lys₉, у свою чергу, зумовлює метилювання ДНК (що забезпечує епігенетичну спадковість). Крім того, до Х-хромосоми рекрутуються структурні компактизуючі білки (але не НР1).