Метилирование ДНК

Метилирование ДНК — это ковалентное присоединение метильной группы к азотистому основанию ДНК, чаще всего к атому углерода в положении 5 цитозина с образованием 5-метилцитозина. У млекопитающих оно преимущественно происходит в CpG-динонуклеотидах и является центральным, наследуемым механизмом регуляции экспрессии генов, маркировки транспозонов и поддержания стабильной идентичности типа клеток.

Definition

Метилирование ДНК — это ферментативный перенос метильной группы к цитозину (с образованием 5-метилцитозина), преимущественно в CpG-динонуклеотидах у млекопитающих, создающий наследуемую метку, которая модулирует транскрипцию и состояние хроматина без изменения последовательности ДНК.

Scope

Статья охватывает вопросы о том, где происходит метилирование в геноме (CpG-сайты и CpG-островки), как оно влияет на транскрипцию, как паттерны поддерживаются при делении клеток и как измеряется полногеномное метилирование. Она рассматривает метилирование ДНК как молекулярно-эпигенетическую тему и носит справочно-образовательный, а не клинический характер.

Core questions

• Где в геноме происходит метилирование цитозина и чем отличаются CpG-островки?
• Как метилирование в промоторе связано с подавлением транскрипции?
• Как паттерн метилирования копируется в дочерние клетки после репликации ДНК?
• Как измеряется полногеномное метилирование с разрешением на уровне одного основания?

Key concepts

• 5-метилцитозин
• CpG-динонуклеотид
• CpG-островок
• Гиперметилирование промотора и сайленсинг
• Гемиметилированная ДНК и поддержание
• Метилом
• Полногеномное бисульфитное секвенирование

Key theories

Эпигенетическая память посредством поддерживающего метилирования

Симметричное CpG-метилирование копируется после репликации поддерживающей метилтрансферазой, действующей на гемиметилированную ДНК, обеспечивая молекулярную основу для наследуемой передачи состояний экспрессии генов через поколения клеток.

Mechanisms

Метильная группа присоединяется к цитозину в CpG-динонуклеотидах, образуя 5-метилцитозин. CpG-островки, представляющие собой богатые CpG-последовательностями регионы, перекрывающиеся со многими промоторами, обычно неметилированы в активных генах; метилирование островка, ассоциированного с промотором, связано со стабильным подавлением транскрипции, отчасти за счет препятствования связыванию факторов транскрипции и привлечения метил-CpG-связывающих белков и репрессивных хроматиновых комплексов. Поскольку CpG является палиндромом, метилирование симметрично на двух цепях; после репликации дочерний дуплекс является гемиметилированным, и поддерживающая метилтрансфераза восстанавливает полное метилирование, копируя паттерн в обе дочерние клетки. В масштабе всего генома метилирование также подавляет транспозоны и способствует геномному импринтингу и инактивации Х-хромосомы.

Clinical relevance

Измененные паттерны метилирования ДНК описаны при раке и других состояниях, а профилирование метилирования широко используется в эпигеномных исследованиях и исследованиях биомаркеров. Эта статья объясняет механизм как основу для интерпретации таких исследований; она носит описательный характер и не является основанием для индивидуальных диагностических или лечебных решений.

Evidence & guidelines

Карты метилома с разрешением на уровне оснований, такие как метилом человека, созданный Листером и коллегами, установили, что метилирование является динамичным и тканеспецифичным, в то время как обзоры Бёрда, а также Смита и Мейснера закрепили его роли в развитии и регуляции. Связь между метилированием промоторных островков и сайленсингом хорошо подтверждена, хотя направленность и функция метилирования в телах генов и в других сайтах остаются областями активного уточнения.

History

Метилирование цитозина было признано потенциальным носителем наследуемой регуляторной информации в конце 1970-х и 1980-х годов, при этом модели предполагали, что симметричное CpG-метилирование может поддерживаться в процессе репликации. Работа Бёрда прояснила связь между метилированием, CpG-островками и стабильным контролем генов, а появление бисульфитного секвенирования, а затем и полногеномного картирования на уровне отдельных оснований превратило метилирование в полногеномный считываемый слой эпигенетической информации.

Debates

Является ли метилирование промотора причиной или следствием сайленсинга?

Метилирование промоторных островков тесно связано с подавлением транскрипции, но вопрос о том, инициирует ли оно сайленсинг или закрепляет состояние, установленное другими репрессивными событиями, зависит от контекста и является предметом дискуссий.

Key figures

• Adrian Bird
• Aimee Deaton
• Alexander Meissner
• Ryan Lister
• Joseph Ecker

Seminal works

• bird-2002
• deaton-bird-2011
• lister-2009

Frequently asked questions

Что такое CpG-островок?

CpG-островок — это область ДНК с необычно высокой плотностью CpG-динонуклеотидов, часто перекрывающаяся с промоторами генов. Эти островки обычно неметилированы, когда связанный с ними ген активен.

Как паттерн метилирования наследуется дочерними клетками?

Поскольку CpG-метилирование симметрично на обеих цепях, репликация приводит к образованию гемиметилированной ДНК; затем поддерживающая метилтрансфераза метилирует новую цепь, точно копируя паттерн в каждую дочернюю клетку.