Возраст-зависимое деметилирование ДНК

Механизмы, связанные со старением и возникновением рака- самая изучаемая тема в научном мире, с ней по масштабности могут сравниться только исследования ВИЧ. За годы исследований было предложено множество моделей и теорий, ни одна из которых полностью не раскрывает эти механизмы. Но необходимы исследования. С этой точки зрения, представляется интересным изучение изменения активности генов.  Профессор Анисимов в своей монографии "Молекулярные и физиологические механизмы старения" так пишет об этих процессах:
Экспрессия (проявление) генов зависит в том числе и от их метилирования, и это может играть роль в процессе старения. До 5% всех остатков цитозина в ДНК млекопитающих метилировано по 5' позиции с образованием 5-метилцитозина (5мЦ). Это единственное постоянно модифицированное основание в ДНК высших эукариот. Метилирование происходит в обеих нитях ДНК симметрично, и остатки 5мЦ всегда фланкируются остатками гуанина со стороны З'-конца. Метилированные остатки цитозина выполняют различные функции, но что еще более важно, метилирование ДНК вовлечено в регуляцию активности генов. Изменения в метилировании, в частности деметилирование динуклеотидов у позвоночных, связано с изменением уровня транскрипции (процесса синтеза РНК с матрицы ДНК).
Возрастное деметилирование ДНК было впервые описано в 1973 г. Б. Ф. Ванюшиным и соавт. При этом была обнаружена разница в степени деметилирования в тканях крыс - в ткани мозга оно преобладало над тканью печени. В дальнейшем было обнаружено возрастное снижение 5мЦ в легких и культурах фибробластов кожи, для последних была показана связь деметипирования со снижением возможности к росту в культуре. Было высказано предположение о том, что возрастное деметилирование предрасполагает клетки к опухолевой трансформации.

Другими словами, неактивный ген соединён с метильной группой. Когда в результате химических реакций метильная группа отделяется от гена, тот активизируется. Метильная группа выполняет роль предохранителя. Чем меньше метильных групп,тем более дифференцирована клетка. Чем больше степень метилирования ДНК, тем меньше степень дифференцировки, тем клетка моложе.  Это было описано Р. Холлидеем в 1989 году.

Классическим примером, широко упоминаемым в литературе, является развитие некоторых видов лососевых рыб. Известен феномен их быстрой гибели после нереста. Еще вчера молодые особи репродуктивного возраста гибнут в течение короткого времени. С биологической точки зрения это ускоренное старение, что сопровождается массивным деметилированием ДНК.
Также предполагается участие деметилирования в канцерогенезе.

Метилирование ДНК — это обраимая модификация молекулы ДНК без изменения самой нуклеотидной последовательности ДНК, что можно рассматривать как часть эпигенетической составляющей генома. Кроме того, метилирование остатков цитозина стабилизирует двутяжевую спираль. (Ванюшин)
Метилирование заключается в переносе метильной группы с S-аденозилметионина (SAM) на 5' позицию цитозина. Эту реакцию осуществляет ДНК- метилтрансфераза (DNMT). Для позвоночных характерно метилирование цитозина, когда он находится в составе динуклеотида CG. Не все CG- последовательности метилированы, они формируют специфический паттерн (образ). У человека метилирование осуществляется с помощью ферментов DNMT1, DNMT3a (альфа), DNMT3b (бета). Предполагается, что DNMT3a и DNMT3b функционируют на ранних стадиях развития, когда происходит формирование паттерна метилирования. DNMT1 поддерживает метилирование ДНК на более поздних стадиях развития организма и отвечает за присоединение метильной группы на комплементарной цепи при репликации ДНК дочерней клетки.

Помимо метилирования в клетках существует и обратный процесс- деметилирование, который осуществляется независимо от репликации под действием фермента деметилазы. Родительский геном подвергается деметилированию в течение часов после оплодотворения, до того как инициируется репликация ДНК. Чужеродная ДНК, введенная в зиготу мыши подвергается деметилированию. Как упоминалось выше, деметилирование играет важную роль в процессах регуляции активности генов, дифференцировки, канцерогенеза и старения.

Изменение экспрессии тех или иных генов обязательно сопровождает формирование и развитие опухоли. Эпигенетические модификации, т.е. такие модификации,которые не затрагивают структуру самого гена, но изменяют его активность, играют особенно важную роль в канцерогенезе.
Как говорилосьвыше, в эмбриогенезе формируется паттерн (образ) метилирования, уникальный для каждой клетки, это является результатом баланса метилирования и деметилироания.

В клетках взрослого организма паттерн метилирования сохраняется практически постоянным, но может значительно изменяться с возрастом или в процессе возникновения заболеваний, в том числе онкологических. Аномалии метилирования ДНК обнаруживаются в злокачественных образованиях, причем наряду со снижением уровня метилирования (гипометилированием, деметилированием) наблюдается локальное гиперметилирование.
Было обнаружено, что при прогрессировании опухолевого процесса повышается уровень деметилирования. Рассмотрим основные свойства раковых клеток:
1) самоподдерживающаяся популяция (не нужны факторы роста извне)
2) нечувствительность к сигналам, блокирующим рост
3) неограниченная способность к пролиферации
4) блок апоптоза
5) блок дифференцировки
6) стимуляция ангиогенеза
7) способность к метастазированию и инвазии (проникновению)
8) генетическая нестабильность.
Роль метилирования в этих процессах изучена, роль деметилирования только начинает изучаться. Очевидно, что в раковых клетках деметилируются ДНК последовательности, которые метилированы в нормальных клетках. Что к ним может быть отнесено:
 - повторяющиеся последовательности, которые метилированы во всем геноме
 - уникальные последовательности, экспрессия которых подавлена с помощью метилирования. Гены с моноаллельной экспрессией (т.е. из двух аллельных вариантов, находящихся в организме, один метилирован, а другой экспрессируется).

В данном случае наибольшее значение среди всех видов повторяющихся последовательностей имеют ретротранспозоны. Эти элементы метилированы на протяжении всего генома. Многие транспозоны имеют сильные промоторы, которые и обеспечивают их экспансию. Было показано, что длинные разбросанные ретротранспозоны LINE-1 гипометилировны в раковых клетках по сравнению с нормальными, что может вызывать транскрипцию этих элементов, их транспозицию (перемещение из одного места на хромосоме в другое) и рекомбинацию. А генетическая нестабильность- спутник канцерогенеза. Эта область еще мало исследована.
В аспекте проблемы старения необходимо отметить, что деметилирование тринуклеотидных повторов участвует в механизме возникновения нейродегенеративных заболеваний (в том числе болезни Альцгеймера, Паркинсона и др.), которые зачастую связаны с возрастом.

Импринтированные гены.  ДНК-метилирование участвует в регуляции экспрессии импринтированных генов. Геномный импринтинг- явление, заключающееся в эпигенетической модификации генома, в результате которой материнский и отцовский аллель гена экспрессируются в тканях взрослого организма неэквивалентно. Импринтированные гены локализуются в кластерах (группами), в рамках которого регулируется их активность. В специфическом GC-богатом участке DMR (differentially methylated regions) или ICR (imprinting control regions) метилирование может регулировать импринтинг на расстоянии сотен тысяч пар оснований. В норме DMR полностью метилирован в одном аллеле и гипометилирован в другом. При гипометилировании обоих аллелей DMR нарушается регуляция активности подконтрольных ему генов- ослабление импринтинга генов, например, гена IGF2, кодирующего  эмбриональный ростовой фактор, при колоректальном раке, гена CDKN1C, кодирующего ингибитор циклин-зависимой киназы, при раке пищевода.
Тканеспецифичные гены.  Эти гены экспрессируются только в некоторых видах ткани во взрослом организме. Около половины тканеспецифичных генов локализуются в CG участках в регуляторных областях. Другие гены имеют собственные CG-динуклеотиды в промоторной и кодирующей областях. Гены активны в тех тканях, где они экспрессируются, в клетках других тканей они метилированы. Для некоторых генов было показано деметилирование в опухолевых клетках- это некоторые протоонкогены, гены, детерминирующие метастатический потенциал и др.

Сейчас активно исследуются перспективы влияния на метилирование и деметилирование с целью терапии опухолей. Метилирование супрессоров опухолевого роста вызывает прогрессирующий рост опухоли, поэтому использование ингибиторов DNMT1 приносит определенный результат.
Но также необходима и защита от гипометелирования (деметилирования). Для этого при раке печени используют диету, богатую SAM и метионином. Низкий уровень в пище фолатов, необходимых для клеточных реакций метилирования и образования SAM, вызывает у человека массированное деметилирование. Прием алкоголя снижает уровень SAM. Все вышеперечисленное было обнаружено при исследованиях на больных с колоректальной аденокарциномой, раком груди, раком шейки матки. Поэтому необходима диета, богатая фолатами.
Другим направлением регуляции деметилирования является использование ингибиторов деметилазы. Если ген гипометилирован, например, ген, детерминирующий метастатический потенциал- uPA, то он активен. Если удастся ингибировать деметилазу,то баланс метилирование-деметилирование сдвинется в сторону метилирования, ген "замолчит". Изучалась возможность использования в качестве ингибитора MBD2-деметилазы SAM , что приводило к снижению метастазирования при раке груди.

Процесс деметилирования, его регуляция, ферменты, его осуществляющие, еще мало изучены. Но несомненно одно- он имеет важное значение в процессе старения и возникновения возраст-ассоциированных заболеваний, особенно онкологических. Если с возрастом происходит деметилирование ДНК, начинается рост опухолей, возникновение диабета, нейродегенеративных заболеваний и мн.др. "спутников" процесса старения, то возможно, найдя способы влиять на деметилирование, ученые смогут хотя бы отчасти замедлить старение. Перспективы в этой области огромны. В связи с эти необходимо сформулировать несколько задач и вопросов для исследователей:
1) Каков механизм деметилирования ДНК?

2) В чем особенности возрастзависимого деметилирования?

3) Как эти процессы регулируются?

4) Какие ферменты осуществляют деметилирование (строение, функционирование, аминокислотная последовательность, условия работы и т.д.)?

5) Каков механизм вовлечения деметилирования в патогенез возрастзависимых заболеваний?

6) Какова роль деметилирования в процессе старения?

7) Как можно влиять на процесс деметилирования?

8) Как достичь терапевтического эффекта при лечении возрастзависимых заболеваний, влияя на деметилирование?

10) И ,наконец, главное- почему по теме возрастзависимого деметилирования ДНК ведется очень мало исследований, если не сказать, что они вообще не ведутся?

Мы надеемся, что ответы на эти вопросы появятся в самое ближайшее время.

13 сентября 2008 года