การเติมหมู่เมทิลบนดีเอ็นเอ

การเติมหมู่เมทิลบนดีเอ็นเอ (DNA methylation) คือการเติมหมู่เมทิลแบบโควาเลนต์เข้ากับเบสของดีเอ็นเอ โดยส่วนใหญ่จะเติมที่ตำแหน่งคาร์บอน-5 ของไซโตซีนเพื่อสร้าง 5-เมทิลไซโตซีน ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม การเติมหมู่เมทิลนี้มักเกิดขึ้นที่ไดนิวคลีโอไทด์ CpG และเป็นกลไกสำคัญที่ถ่ายทอดได้สำหรับการควบคุมการแสดงออกของยีน การทำเครื่องหมายองค์ประกอบที่เคลื่อนย้ายได้ (transposable elements) และการรักษาสภาพเอกลักษณ์ของชนิดเซลล์ให้คงที่

Definition

การเติมหมู่เมทิลบนดีเอ็นเอคือการถ่ายโอนหมู่เมทิลด้วยเอนไซม์ไปยังไซโตซีน (เกิดเป็น 5-เมทิลไซโตซีน) ซึ่งส่วนใหญ่เกิดขึ้นภายในไดนิวคลีโอไทด์ CpG ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ทำให้เกิดเครื่องหมายที่ถ่ายทอดได้ซึ่งปรับการถอดรหัสและสถานะของโครมาตินโดยไม่เปลี่ยนแปลงลำดับดีเอ็นเอ

Scope

เนื้อหานี้ครอบคลุมถึงตำแหน่งที่เกิดการเติมหมู่เมทิลในจีโนม (ตำแหน่ง CpG และ CpG islands) วิธีที่การเติมหมู่เมทิลมีอิทธิพลต่อการถอดรหัส วิธีการรักษารูปแบบการเติมหมู่เมทิลผ่านการแบ่งเซลล์ และวิธีการวัดการเติมหมู่เมทิลทั่วทั้งจีโนม เนื้อหานี้ถือว่าการเติมหมู่เมทิลบนดีเอ็นเอเป็นหัวข้อทางอณูพันธุศาสตร์ (molecular epigenetics) และมีวัตถุประสงค์เพื่อการอ้างอิงและให้ความรู้ ไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• การเติมหมู่เมทิลของไซโตซีนเกิดขึ้นที่ใดในจีโนม และอะไรคือสิ่งที่ทำให้ CpG islands แตกต่างออกไป?
• การเติมหมู่เมทิลที่โปรโมเตอร์มีความสัมพันธ์กับการยับยั้งการถอดรหัสอย่างไร?
• รูปแบบการเติมหมู่เมทิลถูกคัดลอกไปยังเซลล์ลูกสาวหลังจากการจำลองแบบดีเอ็นเอได้อย่างไร?
• การวัดการเติมหมู่เมทิลทั่วทั้งจีโนมที่ความละเอียดระดับเบสเดียวทำได้อย่างไร?

Key concepts

• 5-เมทิลไซโตซีน
• ไดนิวคลีโอไทด์ CpG
• CpG island
• การเติมหมู่เมทิลมากเกินไปที่โปรโมเตอร์และการยับยั้งการทำงาน
• ดีเอ็นเอที่มีการเติมหมู่เมทิลเพียงครึ่งเดียวและการบำรุงรักษา
• เมทิลโลม
• การจัดลำดับด้วยไบซัลไฟต์ทั่วทั้งจีโนม

Key theories

ความทรงจำทางเอพิเจเนติกส์ผ่านการเติมหมู่เมทิลเพื่อการบำรุงรักษา

การเติมหมู่เมทิล CpG แบบสมมาตรจะถูกคัดลอกหลังจากการจำลองแบบโดยเอนไซม์เมทิลทรานสเฟอเรสที่ทำหน้าที่บำรุงรักษาซึ่งทำงานบนดีเอ็นเอที่มีการเติมหมู่เมทิลเพียงครึ่งเดียว ซึ่งเป็นพื้นฐานทางโมเลกุลสำหรับการส่งผ่านสถานะการแสดงออกของยีนที่ถ่ายทอดได้ข้ามรุ่นเซลล์

Mechanisms

หมู่เมทิลจะถูกเติมเข้ากับไซโตซีนภายในไดนิวคลีโอไทด์ CpG ทำให้เกิด 5-เมทิลไซโตซีน CpG islands ซึ่งเป็นบริเวณที่มี CpG หนาแน่นและทับซ้อนกับโปรโมเตอร์หลายตัว มักจะไม่มีการเติมหมู่เมทิลในยีนที่ทำงานอยู่ การเติมหมู่เมทิลที่ CpG island ที่เกี่ยวข้องกับโปรโมเตอร์มีความสัมพันธ์กับการยับยั้งการถอดรหัสอย่างถาวร ส่วนหนึ่งโดยการขัดขวางการจับของปัจจัยการถอดรหัส และโดยการดึงดูดโปรตีนที่จับกับเมทิล-CpG และคอมเพล็กซ์โครมาตินที่ยับยั้งการทำงาน เนื่องจาก CpG เป็นพาลินโดรม การเติมหมู่เมทิลจึงสมมาตรบนสายดีเอ็นเอทั้งสองสาย หลังจากการจำลองแบบ สายดีเอ็นเอลูกสาวจะมีการเติมหมู่เมทิลเพียงครึ่งเดียว (hemimethylated) และเอนไซม์เมทิลทรานสเฟอเรสที่ทำหน้าที่บำรุงรักษาจะคืนสภาพการเติมหมู่เมทิลให้สมบูรณ์ โดยคัดลอกรูปแบบไปยังเซลล์ลูกสาวทั้งสองเซลล์ ทั่วทั้งจีโนม การเติมหมู่เมทิลยังยับยั้งองค์ประกอบที่เคลื่อนย้ายได้ และมีส่วนช่วยในการพิมพ์จีโนมิก (genomic imprinting) และการปิดใช้งานโครโมโซม X

Clinical relevance

มีการอธิบายรูปแบบการเติมหมู่เมทิลบนดีเอ็นเอที่เปลี่ยนแปลงไปในโรคมะเร็งและภาวะอื่นๆ และการทำโปรไฟล์การเติมหมู่เมทิลมีการใช้อย่างแพร่หลายในการวิจัยเอพิเจโนมิกส์และการศึกษาชีวภาพ (biomarker studies) เนื้อหานี้อธิบายกลไกเป็นพื้นฐานสำหรับการตีความการศึกษาดังกล่าว โดยมีลักษณะเป็นการบรรยายและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการตัดสินใจในการวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

Evidence & guidelines

แผนที่เมทิลโลมที่ความละเอียดระดับเบส เช่น แผนที่เมทิลโลมของมนุษย์โดย Lister และคณะ ได้แสดงให้เห็นว่าการเติมหมู่เมทิลมีการเปลี่ยนแปลงและจำเพาะต่อเนื้อเยื่อ ในขณะที่บทความทบทวนโดย Bird และโดย Smith และ Meissner ได้รวบรวมบทบาทในการพัฒนาและการควบคุมของมัน ความสัมพันธ์ระหว่างการเติมหมู่เมทิลที่ promoter-island และการยับยั้งการทำงานได้รับการสนับสนุนอย่างดี แม้ว่าทิศทางและหน้าที่ของการเติมหมู่เมทิลใน gene bodies และที่ตำแหน่งอื่นๆ ยังคงเป็นประเด็นที่อยู่ระหว่างการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง

History

การเติมหมู่เมทิลของไซโตซีนได้รับการยอมรับว่าเป็นตัวนำข้อมูลการควบคุมที่ถ่ายทอดได้ในช่วงปลายทศวรรษ 1970 และ 1980 โดยมีแบบจำลองที่เสนอว่าการเติมหมู่เมทิล CpG แบบสมมาตรสามารถคงอยู่ได้ผ่านการจำลองแบบ งานของ Bird ได้ชี้แจงความเชื่อมโยงระหว่างการเติมหมู่เมทิล, CpG islands และการควบคุมยีนที่เสถียร และการถือกำเนิดของการจัดลำดับด้วยไบซัลไฟต์ (bisulfite sequencing) และต่อมาคือการทำแผนที่ทั้งจีโนมแบบเบสเดียว ได้เปลี่ยนการเติมหมู่เมทิลให้เป็นชั้นข้อมูลเอพิเจเนติกส์ที่สามารถอ่านได้ทั่วทั้งจีโนม

Debates

การเติมหมู่เมทิลที่โปรโมเตอร์เป็นสาเหตุหรือผลของการยับยั้งการทำงาน?

การเติมหมู่เมทิลที่ promoter-island มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับการยับยั้งการถอดรหัส แต่การที่มันเริ่มต้นการยับยั้งหรือทำให้สถานะที่ถูกกำหนดโดยเหตุการณ์การยับยั้งอื่นๆ คงที่นั้นขึ้นอยู่กับบริบทและยังคงเป็นที่ถกเถียงกัน

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

CpG island คืออะไร?

CpG island คือบริเวณของดีเอ็นเอที่มีความหนาแน่นของไดนิวคลีโอไทด์ CpG สูงผิดปกติ ซึ่งมักจะทับซ้อนกับโปรโมเตอร์ของยีน CpG islands เหล่านี้มักจะไม่มีการเติมหมู่เมทิลเมื่อยีนที่เกี่ยวข้องทำงานอยู่

รูปแบบการเติมหมู่เมทิลถูกถ่ายทอดไปยังเซลล์ลูกสาวได้อย่างไร?

เนื่องจากการเติมหมู่เมทิล CpG มีความสมมาตรบนสายดีเอ็นเอทั้งสองสาย การจำลองแบบจึงสร้างดีเอ็นเอที่มีการเติมหมู่เมทิลเพียงครึ่งเดียว จากนั้นเอนไซม์เมทิลทรานสเฟอเรสที่ทำหน้าที่บำรุงรักษาจะเติมหมู่เมทิลบนสายใหม่ โดยคัดลอกรูปแบบไปยังเซลล์ลูกสาวแต่ละเซลล์อย่างแม่นยำ