/

Metylacja DNA
a choroby człowieka

avatar
Daria Kołodziejska 29 Cze, 7 minut czytania

Najbardziej znaną formą modyfikacji epigenetycznej pozostaje metylacja DNA. To typ modyfikacji epigenetycznej, która dotyczy regulacji ekspresji genów (przypis 1). Może być dziedziczna [13], jednak może później być usunięta bez zmiany w sekwencji DNA, w przeciwieństwie do zmian genetycznych. Miejsca metylacji są charakterystyczne dla danego gatunku, tkanki czy komórki. [5] Ulegają silnym zmianom np. podczas rozwoju embrionalnego(przypis 2). Poziom metylacji w organizmach zmniejsza się z wiekiem, co oznacza, że wraz z upływem lat ilość metylowanych nukleotydów (przypis 3) jest coraz mniejsza. [6]

Zacznijmy od podstaw chemicznych

Wyjaśniając od podstaw, metylacja jest biologicznym procesem, w którym grupy metylowe (-CH3) dodawane są do zasad azotowych nukleotydów, zwłaszcza do cytozyn [10]. To po-replikacyjna enzymatyczna modyfikacja kwasów deoksyrybonukleinowych. W procesie metylacji uczestniczą enzymy – metylotransferazy (DNMT) adenino- lub cytozyno- specyficzne. [8] Wykorzystują one S-adenozylo-L-metioninę (AdoMet) jako donora grupy metylowej, która następnie przyłączana jest do węgla w pozycji piątej w pierścieniu pirymidynowym cytozyny lub do grupy amidowej adeniny lub cytozyny. Produktami tej reakcji są: S-adenozylo-L-homocysteinę (AdoHcy) oraz metylowane DNA. W organizmie człowieka znajdują się przynajmniej trzy aktywne metylotransferazy DNMT1 (ang. (cytosine-5) -methyltransferase), DNMT3a (ang. DNA (cytosine-5)-methyltransferase 3A) i DNMT3b (ang. DNA (cytosine-5-)-methyltransferase 3 beta). W komórkach ssaków metylacja DNA zachodzi głównie w pozycji C5 dinukleotydów CpG (przypis 4). Przeprowadzana jest przez dwie ogólne klasy aktywności enzymatycznej – metylację podtrzymującą (dziedziczoną) i metylację de novo. [7,8]


Cytozyna –> 5-metylocytozyna

 

Czy metylacja jest w ogóle potrzebna? Jakie enzymy są zaangażowane w ten skomplikowany proces?

Utrzymanie aktywności metylaz jest konieczne, aby zachować metylację DNA po każdym cyklu replikacji DNA komórkowego. Podczas replikacji dochodzi do powielenia cząsteczki DNA. Każda nić w podwójnej helisie jest matrycą do syntezy nowej, komplementarnej nici. Bez DNMT maszyna do replikacji wytwarzałaby nici potomne, które byłyby niemetylowane z .czasem prowadząc do pasywnej demetylacji, czyli usunięcia metylacji.[10]

DNMT1 jest konserwatywną metylotransferazą, która jest odpowiedzialna za kopiowanie wzorów metylacji DNA na nici potomnej podczas replikacji DNA. Modele myszy z usuniętymi obiema kopiami DNMT1 umierają w stadium embrionalnym w przybliżeniu w dziewiątym dniu, ponieważ aktywności DNMT1 jest niezbędna do rozwoju w komórkach ssaków. Ponadto DNMT1 katalizuje ok. 98% procesu metylacji zachodzącego podczas mitozy. Enzym ten rozpoznaje metylowane dinukleotydy CpG na matczynej oraz potomnej nici i przenosi grupy metylowe z AdoMet do cytozyny, która znajduje się na niezmetylowanej nici potomnej. Natomiast DNMT3a i DNMT3b są odpowiedzialne za metylację de novo i ustalają wzorce metylacji DNA na wczesnym etapie rozwoju. [8]

Jednak ich rola w dojrzałych komórkach dotychczas nie została jeszcze do końca odkryta. Uważa się, że DNMT3b odpowiada za podtrzymanie metylacji pericentrycznej heterochromatyny (przypis 12). [8]

Ponadto do rodziny metylotransferaz zalicza się także : DNMT2 i DNMT3L. DNMT2, inaczej TRDMT1, nie posiada właściwości katalitycznych, pomimo strukturalnego podobieństwa do innych DNMT. Podobnie białko DNMT3L nie posiada właściwości katalitycznych, mimo że jest homologiczne do DNMT3a oraz DMNT3b. Natomiast jest ich kofaktorem. Wspomaga metylotransferazy de novo, zwiększając ich powinowactwo do DNA oraz stymuluje ich aktywność. [7,8,]

Inne mechanizmy epigenetyczne

Metylacja DNA związana jest także z procesami takimi jak: regulacja ekspresji genu inaktywacja chromosomu X w komórkach samic ssaków łożyskowych, imprinting rodzicielski [9]. Transkrypcja genów jest regulowana również na drodze acetylacji i deacetylacji białek histonowych, obok metylacji DNA, i poprzez te mechanizmy może wpływać na strukturę chromatyny (przypis 7). Białka z rodziny MBDs (ang. methyl-CpG-binding domain) rozpoznają 5-metylocytozynę i następnie dochodzi w tym miejscu do deacetylacji histonów.[] Powoduje to utworzenie nieaktywnej struktury chromatyny. Ponadto do metylowanego nukleotydu nie mogą przyłączyć się czynniki transkrypcyjne. Metylacja DNA warunkuje zatem różnicowanie się komórek u wyższych organizmów i umożliwia specjalizację komórek, przy jednoczesnym zaopatrzeniu w uniwersalną informację genetyczną. Proces inaktywacji chromosomu X jest losowy i zachodzi m.in. poprzez metylację wysp CpG (przypis 6), a powstałe zmiany są przekazywane komórkom potomnym podczas podziałów komórkowych [11]. Oba chromosomy X są aktywne w organizmie tylko w stadium wczesnego zarodka, a poprzez inaktywację wyrównywany jest poziom ekspresji genów zlokalizowanych na allosomach (przypis 13). Imprinting rodzicielski inaczej nazywany jest piętnem genomowym. Polega na metylacji DNA w trakcie gametogenezy, w wyniku której geny tracą swą aktywność. Powoduje to, że w nowym organizmie ekspresji ulega jeden allel pochodzący od ojca lub matki dla danego genu (drugi poprzez metylację jest nieaktywny). Najczęstszym przywoływanym przykładem jest insulinopodobny region czynnika wzrostu 2 (IGF2) / H19, zlokalizowany na chromosomie 11p15.5.[1,3] Są to dwa geny położone od siebie w odległości ok. 90 par zasad. Gen IGF2 ulega transkrypcji tylko, gdy jest zlokalizowany na chromosomie ojcowskim. Natomiast w przypadku genu H19 ekspresji ulega allel matczyny, natomiast ojcowski jest wyciszany za pomocą metylacji. Ważną rolę w regulacji tych genów odgrywa odcinek złożony z 2 tysięcy par zasad DNA mieszczący się przed regionem promotorowym genu H19. Ten fragment nazywany jest DMR (ang. Differentially Methylated Region), ponieważ jest silnie zmetylowany na ojcowskim chromosomie, a niezmetylowany na matczynym. W wyniku zaburzeń tego procesu może dojść do transformacji nowotworowych oraz powstania chorób m.in. Pradera-Williego (PWS) (przypis 8), Angelmana (AS) (przypis 9). [7]

Metylacja DNA w procesach nowotworowych

Nieprawidłową metylację DNA zaobserwowano również w wielu typach raka m.in. jelita grubego, pęcherza moczowego, przełyku, prostaty. [4] W wielu nowotworach można zaobserwować mutacje DNMT oraz różne poziomy ekspresji metylotransferaz, z których wszystkie sugerują silny związek między występowaniem nowotworu a metylacją DNA, lub zaburzeniami tego procesu. Podczas tworzenia się nowotworu epigenotyp komórki ulega bowiem zmianie. Proces hipometylacji, to proces w którym dochodzi do nadmiernej demetylacji, czyli usunięcia metylacji. Skutkuje m.in. demetylacją regionów promotorowych (przypis 15) onkogenów (przypis 14). prowadząc do aktywacji. Przyczyniając się do ich nadmiernej ekspresji i w efekcie prowadząc do zwiększonej proliferacji komórek. [2]

Dla przykładu, w raku jelita grubego dowiedziono zmniejszenia metylacji o ok. 10-30%, a w nowotworach klatki piersiowej, głownie w nowotworze płuc występuje hipometylacja powyżej 50% genów, które dotychczas były zmetylowane. [13] W nowotworach można zaobserwować również hipermetylację, czyli nadmierną metylację w komórkach. Dotyczy ona głównie wysp CpG, prowadząc do wyciszenia genów supresorowych (przypis 10). [6] Do miejsc, które najczęściej ulegają hipermetylacji w różnych typach nowotworów są m.in. chromosomy 3p i 11p. [13] Na tych chromosomach znajdują się tzw. gorące punkty, do których należą wyspy CpG. Wyspy te normalnie są nigdy niemetylowane, natomiast w komórkach nowotworowych ulegają metylacji. Ponadto w wielu rodzajach nowotworów występuje hipermetylacja promotora genu p16 – inhibitora kinazy cyklinozależnej. Prawidłowo działający gen p16 negatywnie reguluje przejście komórki z fazy G1 do S. Natomiast poprzez hipermetylację dochodzi do zaburzeń cyklu komórkowego, skutkując utratą kontroli nad cyklem. Przyczynia się tym samym do rozwoju nowotworu, poprzez zwiększenie proliferacji komórek, co można zaobserwować m.in. w nowotworach jelita grubego, trzustki i białaczce.[3,4,6]

Znaczenie metylacji w patogenezie chorób

Zaburzenia neurologiczne to grupa chorób, w których prawdopodobnie metylacja DNA odgrywa ważną rolę. . Korelację tę zasugerowano po odkryciu, że mutacje w genie białka 2 wiążącego metylo-CpG (MeCP2) u pacjentów z zaburzeniami ze spektrum autyzmu (ASD) i zespołem Retta (przypis 11). [11] Zespół Retta to zaburzenie neurorozwojowe dotykające około 1 na 10 000 dzieci płci żeńskiej. MeCP2 to proteina, która wiąże się z metylowanymi sekwencjami DNA, regulując ekspresję genów neuronów in vivo. Zatem zmiany w profilu metylacji DNA mogą prowadzić do zróżnicowanej ekspresji genów związanych z aktywnością synaptyczną. Natomiast różne powinowactwo wiązania białka MeCP2 do metylowanego DNA może regulować poziom ekspresji genów związanych z patofizjologią autyzmu i zespołem Retta. [3,11] Według ostatnich badań, występowanie i rozwój zaburzeń metabolicznych są kontrolowane nie tylko przez czynniki genetyczne, ale wpływają na nie również zmiany modyfikacji epigenetycznych. Rola metylacji DNA w patogenezie zaburzeń metabolicznych i relacje między nimi nie są jeszcze do końca zbadane. W całym teście metylacji DNA genomu ludzkich komórek insuliny, metylacja loci 276 CpG w promotorach 254 genów była związana z cukrzycą. Ponadto próbki krwi od 25 pacjentów z cukrzycą typu 1 zostały przeanalizowane i stwierdzono, że mają niższy całkowity poziom metylacji niż normalne próbki. Oprócz zmian w ogólnym poziomie metylacji DNA, zróżnicowana metylacja specyficznych genów związanych z cukrzycą wskazuje, że jest ona ściśle związana z metylacją. Na przykład poziom metylacji DNA w genie leptyny (LEP) może pomóc w przewidywaniu odpowiedzi na diety niskokaloryczne, zaburzoną tolerancję glukozy podczas ciąży i ryzyko rozwoju cukrzycy typu 2 w wieku dorosłym. Ponadto geny kodujące insulinę (INS) i geny związane z otyłością (FTO) związane z cukrzycą typu 2 i metylacją DNA. [12]

Metylacja DNA jest ważnym mechanizmem w organizmie człowieka. Reguluje i wpływa m.in na ekspresję genów, różnicowanie komórek oraz indywidualny rozwój organizmu. Zaburzenia metylacji mogą prowadzić do poważnych zaburzeń neurologicznych, nowotworów, a także innych chorób. Ważne jest dokładniejsze zrozumienie mechanizmów metylacji. Obecny rozwój nowych technik i scharakteryzowanie określonych miejsc w genomie, w których dochodzi do zmiany metylacji, pozwolił na stworzenie nowych narzędzi do prognozowania i szybszego diagnozowania chorób.

 

 

Przypisy:

  1. Ekspresja genu – to proces, mający na celu odczytanie informacji zawartej w genomie i wytworzenie produktów, które są białkami lub różnymi formami RNA.
  2. Rozwój embrionalny – zespół procesów prowadzących do przekształcenia się zapłodnionego jaja (zygoty) w organizm mający pierwotne narządy, przypominający organizm dorosły
  3. Nukleotyd – organiczny związek chemiczny z grupy estrów fosforanowych, zbudowany z reszty cukrowej (deoksyrybozy lub rybozy) połączonej wiązaniem N-glikozydowym z zasadą azotową (purynową lub pirymidynową) oraz reszty kwasu ortofosforowego; stanowi podstawową jednostkę strukturalną kwasów nukleinowych (DNA i RNA)
  4. Dinukelotydy CpG – C- cytozyna, p – reszta kwasu fosforowego, G – guanina
  5. Replikacja DNA – proces, w którym podwójna nić DNA ulega powieleniu
  6. Wyspy CpG – regiony w genomie o większej zawartości dinukleotydów CpG w stosunku do przeciętnej dla całego genomu; Regiony te mają rozmiar powyżej 200 pz i zawartość GC powyżej 50%
  7. Chromatyna – włóknista substancja występująca w jądrze komórkowym, zbudowana z DNA, histonów, niehistonowych białek i małej ilości RNA.
  8. Zespół Pradera-Williego – choroba genetyczna, której głównymi objawami są hipotonia mięśniowa (zmniejszone napięcie mięśniowe), hipogonadyzm (defekt układu rozrodczego) oraz skrajna otyłość wynikająca z potrzeby zaspokajania stale odczuwanego głodu.
  9. Zespół Angelmana – genetycznie uwarunkowany zespół spowodowany najczęściej mikrodelecją w regionie 15q11-13, rzadziej jednorodzicielską disomią chromosomu lub nieprawidłowym imprintingiem. Zespół Angelmana charakteryzują głównie objawy neurologiczne: niepełnosprawność intelektualna, ataksja, padaczka, charakterystyczne ruchy przypominające marionetkę i napady śmiechu bez powodu.
  10. Gen supresorowy inaczej antyonkogen to gen działający hamująco na procesy proliferacji komórkowej
  11. Zespół Retta – choroba genetyczna związana z mutacją genu MECP2, powodującą neurologiczne zaburzenie rozwoju, jest sprzężona z płcią (dokładnie z chromosomem X)
  12. Pericentryczna heterochromatyna – jest to rejon chromosomu występujący przed centryczną heterochromatyną (która jest ciasno upakowaną formą DNA i jest składnikiem w tworzeniu aktywnych centromerów).
  13. Allosomy – chromosomy płci
  14. Onkogen – Onkogen jest to geny, którego aktywność może prowadzić do przekształcenia zdrowych komórek w komórki nowotworowe.
  15. Promotor – to odcinek DNA, który zazwyczaj położony tuż przed początkiem genu, który zawiera sekwencje rozpoznawane przez polimerazę RNA zależną od DNA.

Bibliografia:

  1. DNA methylation and human diesease Keith D. Robertson; Nature Reviews Genetics volume 6; 01 August 2005; pages 597–610
  2. DNA methylation in development and human diesease Suhasni Gopalakrishnan, Beth O.Van, Emburgh Keith, D.Robertson; Mutation Research/Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis; Volume 647, Issues 1–2, 1 December 2008, Pages 30-38
  3. DNA methylation in human diseases Zelin Jin, Yun Liu; Genes & Diseases; Volume 5, Issue 1, March 2018, Pages 1-8March 2018, Pages 1-8
  4. Epigenetic modifications and human diesease Anna Portela & Manel Esteller; Nature Biotechnology volume 28, 13 October 2010, pages 1057–1068(2010)
  5. https://epigeneticsandchromatin.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13072-016-0075-3
  6. https://portlandpress.com/essaysbiochem/article/63/6/797/221497/The-DNA-methylation-landscape-in-cancer
  7. https://www.mdpi.com/2073-4425/11/4/355/htm
  8. https://www.nature.com/articles/nrg.2017.80
  9. https://www.nature.com/scitable/topicpage/the-role-of-methylation-in-gene-expression-1070/
  10. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3521964/
  11. https://www.researchgate.net/publication/5894895_DNA_methylation_in_states_of_cell_physiology_and_pathology
  12. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128178195000073
  13. Salozhin SV, Prokhorchuk EB, Georgiev GP, Methylation of DNA-One of the major epigenetic markers., Biochemistry (Moscow) 2005 May;70(5):525-532

 

Podziel się: