Metylacja DNA

*

Ramka 8.1: Metylacja DNA a ekspresja genu

Zjawisko acetylacji histonów w interesujący sposób łączy się ze zjawiskiem metylacji DNA (Twyman, 1998). Już od dawna przypuszczano, że metylacja odgrywa rolę w ekspresji genomu, ale aż do niedawna tajemnicą pozostawał sposób, w jaki to się dzieje.

U Eukaryota, cytozyny znajdujące się w chromosomowym DNA są czasami przekształcane w 5-metylocytozynę, poprzez przyłączenie grupy metylowej. Reakcja przeprowadzana jest przez enzym metylotransferazę DNA. U niższych Eukaryota metylacja cytozyn występuje stosunkowo rzadko, ale u kręgowców 10% wszystkich cytozyn w genomie jest metylo-wane, a u roślin wartość ta może dochodzić do 30%. Miejsca metylacji nie są przypadkowe - metylowane są tylko cytozyny wchodzące w skład niektórych sekwencji 5'-CG-3', a u roślin - 5'-CNG-3'. Enzymy metylujące można podzielić na dwie grupy. Pierwsza z nich to enzymy przeprowadzające metyla-cję zachowawczą (ang. maintenance metylation), odpowiedzialne za przyłączanie grup metylowych do nowo zsyn-tetyzowanej nici DNA w miejscach komplementarnych do miejsc metylowanych w nici rodzicielskiej (sekcja 13.1.4). Dzięki aktywności tych enzymów dwie potomne cząsteczki DNA są metylowane w taki sam sposób jak cząsteczka rodzicielska. Druga grupa enzymów to enzymy przeprowadzające metylację de novo. Przypuszcza się, że istnieją enzymy tego typu, choć do tej pory nie udało się ich wyizolować z komórek eukariotycznych. Przyłączają one grupy metylowe w zupełnie nowych miejscach, a więc zmieniają wzór metylacji konkretnych fragmentów genomu.

Metylacja wiąże się z represją aktywności genów. Wynika to z eksperymentów, w których do komórek wprowadzano sklonowane geny, metylowane lub nie, a następnie mierzono poziom ich ekspresji. Ekspresja nie zachodziła, jeśli wprowadzony DNA był metylowany. Powiązanie metylacji z ekspresją genów wynika również z obserwacji wzorów metylacji chromosomowego DNA pokazujących, że geny nieaktywne są położone w rejonach metylowanych, na przykład ok. 56% ludzkich genów występuje blisko wysp CpG (sekcja 5.1.1). W genach warunkujących podstawowe funkcje komórki (ang. housekeeping genes), ulegających ekspresji we wszystkich komórkach, wyspy CpG nie są metylowane. Natomiast w przypadku genów, których ekspresja jest tkankowo specyficzna, wyspy CpG nie są metylowane tylko w tych tkankach, w których ekspresji ulega sąsiadujący z nimi gen. Zwróćmy uwagę na fakt, że ponieważ wzór metylacji jest zachowywany po podziale komórki, informacja o tym, który gen powinien ulegać ekspresji, jest dziedziczona przez komórkę potomną. Daje to pewność zachowania odpowiedniego wzoru ekspresji genów w zróżnicowanej tkance, nawet jeśli komórki tej tkanki są zastępowane przez inne komórki lub (i) dodawane są nowe.

Sposób, w jaki metylacja wpływa na ekspresję genów, pozostawał nierozwiązaną łamigłówką przez wiele lat. Po

wyizolowaniu białek wiążących się z metylo-CpG (MeCP

- ang. methyl-CpG-binding protein), wydawało się, że ich wiązanie z DNA uniemożliwia dostęp czynników transkryp-cyjnych do miejsc wiązania i w ten sposób blokuje ekspresję genów (sekcja 8.3.2). Ostatnio wykazano jednak, że metylacja jest związana ze zmniejszeniem stopnia acetylacji histonów i dlatego indukuje powstawanie bardziej upakowanych struktur chromatyny w metylowanych rejonach chromosomowego DNA (Eden i wsp., 1998). Same białka MeCP prawdopodobnie nie są deacetylazami histonów. Przypuszcza się, że ich związanie z miejscami metylowanymi stanowi sygnał dla innych enzymów o aktywności deacetylazy.

Znaczenie metylacji DNA nie ogranicza się tylko do zachowania i dziedziczenia tkankowej specyficzności ekspresji genów. Metylacja odgrywa ważną rolę jeszcze przynajmniej w trzech innych procesach związanych z regulacją ekspresji genów:

:

Ef Transpozony i inne sekwencje powtarzające się w wielu genomach są hipermetylowane (Bender, 1998), prawdopodobnie w celu zahamowania ekspresji genów związanych z transpozycją, takich jak gen kodujący transpozazę. Zapobiega to transpozycji ruchomych elementów genetycznych (sekcja 6.3.2) oraz hamuje rekombinacje między sekwencjami powtarzającymi się (podrozdz. 13.2). W obu przypadkach znacznie zmniejsza to prawdopodobieństwo powstania w genomie uszkodzeń na skutek niepotrzebnych rearanżacji DNA.

m Metylacja związana jest z piętnowaniem genomowym,

stosunkowo rzadką, ale ważną cechą genomów ssaków. Polega ono na tym, że w komórce diploidalnej tylko jeden gen z pary alleli ulega ekspresji. Ekspresja drugiego jest hamowana na skutek metylacji. Zjawisko to nazywane jest też czasami piętnowaniem rodzicielskim. W większości przypadków nie jest jednak jasne, czy rzeczywiście istotne jest pochodzenie piętnowanego genu od ojca lub od matki. Nie oszacowano jeszcze liczby piętnowanych ge- ! nów w genomie, prawdopodobnie stanowią one jednak niewielką jego część. Nie jest również znana funkcja piętnowania genomowego (jaenisch, 1997).

M Metylacja odgrywa główną rolę w inaktywacji chromo- i somu X. Jest to szczególny przypadek piętnowania, prowadzący do całkowitej inaktywacji jednego z pary chromosomów X w komórce samicy. Dzięki inaktywacji jednego chromosomu X nie powstaje sytuacja, w której komórki samicy miałyby dwie aktywne kopie genów sprzężonych z płcią, a komórki samca tylko jedną. Proces inaktywacji chromosomu X zależy od genu X/st położonego na tym chromosomie. Na jednym chromosomie j X samicy gen X/st ulega ekspresji, co prowadzi do inaktywacji tego chromosomu (sekcja I 1.2.2). Aktywność genu Xist na drugim chromosomie jest hamowana na skutek metylacji DNA i dzięki temu chromosom ten pozostaje aktywny.

i