22
12660

Эпигенетические модификации и их роль в процессе старения

Компас посвящён эпигенетической инженерии (метилирование ДНК и модификациям гистонов), ее роли в процессе старения и современным исследованиям на тему замедления старения путём воздействия на эпигенетические изменения

на сайте с 27 декабря 2008

Метилирование ДНК: общие сведения

Метилированные основания в ДНК обнаружены свыше 50 лет назад [ Hotchkiss, ea 1948 ]. ДНК прокариот содержит
модифицированные основания N6-метиладенин и 5-метилцитозин , тогда как ДНК высших эукариот - в основном 5-метилцитозин [ Wyatt, ea 1951 , Shapiro, ea 1960 , Doscocil, ea 1965 , Vanyushin, ea 1970 ,
Vanyushin, ea 1968 ].
Метилирование остатков цитозина ДНК имеет место у бактерий, растений, животных, в том числе млекопитающих (включая человека), но отсутствует у дрожжей, нематод и дрозофилы [ Мазин ea 1984 , Мазин ea 1989 , Doerfler ea 1983 , Bird, ea 1995 ].
Метилирование осуществляется ферментативно в первые минуты после репликации ДНК, т.е. пострепликативно. Поскольку нуклеотидная последовательность ДНК при этом не меняется, метилирование по сути своей - событие эпигенетическое [ Baylin, ea 1998 ]. Оно, хотя и является
стабильной и наследуемой модификацией, в принципе обратимо под
воздействием деметилирующих агентов или ферментов и тем самым
принципиально отличается от мутаций ДНК.
В общебиологическом плане феномен метилирования является элементом системы распознавания "свой-чужой".
Благодаря существующей в бактериях системе метилирования-рекогниции ( рестрикции-модификации ) клетки способны идентифицировать свой генетический материал и отличать его от
инородных молекул, проникших в клетку тем или иным способом. Уничтожение последних позволяет поддерживать генетическую стабильность вида. Иногда один фермент имеет две - метилазную и эндонуклазную - активности, в большинстве случаев определённый сайт ДНК распознается двумя ферментами, один из которых метилирует его, а другой расщепляет.
В целом система функционирует таким образом, что метилазы "метят" специфические последовательности собственной ДНК, а чувствительные к метилированию рестрикционные эндонуклеазы узнают и расщепляют те из последовательностей, которые соответствующей метки не имеют.
Так, бактериальная клетка защищает себя от вторжения чужеродных молекул. Например, ДНК проникшего в бактериальную клетку фага расщепляется в определённых сайтах специфическими эндонуклеазами, в то время как те же последовательности в собственной ДНК защищены от расщепления, поскольку метилированы [ Noyer-Weidner, ea 1993 ]. Роль метилирования ДНК как компонента клеточной "иммунной системы", предназначенной для уничтожения чужой или излишней ДНК (или подавления ее функций), сохраняется по-видимому, на протяжении эволюции, но конкретные механизмы реализации этой задачи могут быть существенно иными [ Bestor, ea 1990 ].
Например, клетки Neurospora элиминируют нежелательные повторяющиеся последовательности посредством
интенсивного их метилирования, за которым следует накопление точковых мутаций из-за высокой мутабельности остатков 5-метилцитозина [ Selker, ea 1993 ]. Подобным же образом в клетках
грызунов и человека интегрированные вирусные последовательности могут подвергаться метилированию и обусловленному им стабильному блоку транскрипции [ Doerfler, ea 1993 ].
Известно также, что инактивации тем же способом нередко подвергаются трансгены у мышей [ Sasaki, ea 1993 ].
В широком эволюционном плане переходы от прокариот к эукариотам и от беспозвоночных к позвоночным сопровождались, по-видимому, резким увеличением числа генов [ Bird, ea 1995 ]. Эти драматические изменения
вызвали к жизни, видимо, и новые способы ограничения нежелательной
активности "лишних" генов - формирование ядерной мембраны и нуклеосомную организацию хроматина в первом случае, функциональную переориентацию системы метилирования - во втором. Если у беспозвоночных она сводилась к подавлению активности потенциально опасных последовательностей ДНК (таких
как вирусы и транспозоны), то у позвоночных ее назначение - еще и
стабильная репрессия эндогенных генов (гены инактивированной хромосомы X, импринтированные гены, часть тканеспецифичных генов).
Профиль метилирования, сильно влияющий на функциональное состояние гена, стабильно передается в ряду клеточных поколений. С этой точки зрения, для организмов
с большой продолжительностью жизни и интенсивной тканевой регенерацией (позвоночные, растения) надежная система эпигенетической наследственности (типа метилирования ДНК) жизненно необходима. В противоположность этому у маленьких животных и животных с малой продолжительностью жизни, т.е. в
ситуациях, когда значительное новообразование клеток отсутствует, такой необходимости нет. Предполагают, что именно этим обстоятельством объясняется отсутствие системы метилирования ДНК у нематод и дрозофилы [ Jablonka. ea 1995 ].

У млекопитающих метилирование ДНК служит цели стабильного
функционального подавления части генетического материала ( silencing ). У млекопитающих на протяжении всей жизни животного функционирует относительно малая доля генома (~5%), тогда как большую его часть составляет генетический балласт (Junk DNA). Последний подвергается интенсивному метилированию.
Активация метилирования, кроме того, отмечена при различных процессах, приводящих к появлению новой ДНК: трансфекция ДНК, разного рода дупликации инициируют процесс модификации появившихся копий.
Особой стимулирующей активностью в этом отношении обладают инвертированные повторы [ Selker, ea 1999 ]. Таким образом,
повторяющиеся последовательности, с одной стороны, и присутствие 5-
метил-цитозина, с другой, - характерные и взаимосвязанные признаки
эукариотических геномов.
Одни повторы, накапливавшиеся в геноме человека на протяжении эволюции, по-видимому, функционально бесполезны, другие
(транспозоны) потенциально опасны. Естественно поэтому, что они сильно метилированы и, как следствие, неактивны, их транскрипция чревата для клетки метаболическим хаосом.
Метилированные участки "ущемлены" и в другом отношении - они позже, чем активные последовательности, реплицируются в
фазе S клеточного цикла [ Goldman, ea 1984 , Hatton, ea 1988 ,
Schmidt, ea 1990
]. Что касается конкретного механизма блока
транскрипции, индуцированного метилированием, то он опосредован изменением структуры хроматина.

Метилирование ДНК и старение: введение

Молекулярные события, определяющие транскрипцию, имеют решающий интерес для геронтологов, поскольку регуляция
экспрессии генов
коренным образом влияет на старение.
Одним из факторов, оказывающих воздействие на экспрессию гена, является метилирование ДНК [Catania ea 1991 ]. До 5% всех остатков цитозина в ДНК млекопитающих метилировано по 5'-позиции с образованием 5-метилцитозина (5-мЦ). Это
единственное постоянно модифицированное основание в ДНК высших эукариот.
Метилирование происходит в обеих нитях ДНК, симметрично, и остатки 5-мЦ всегда фланкируются остатками гуанина со стороны З'-конца. Метилирование ДНК вовлечено в регуляцию активности генов. Изменения в метилировании, в частности деметилирование динуклеотидов у позвоночных, связаны с
изменением уровня транскрипции [ Mays-Hoopes ea 1989 ].
Возрастное деметилирование ДНК впервые описано в 1973 г. Ванюшиным [ Vanyushin ea 1973 ], когда была обнаружена
разница в степени деметилирования в тканях крыс - в ткани мозга по
сравнению с печенью оно было выше. В дальнейшем было показано возрастное снижение количества 5-мЦ в легких и культурах фибробластов кожи, для последних отмечена связь деметилирования со снижением возможности к росту в культуре [ Wilson ea 1983 ]. Было высказано предположение о том, что возрастное деметилирование предрасполагает клетки к опухолевой трансформации
.

Эпигенетика, рак и старение: мишени и маркеры


На картинке изображены эпигеномы нормальной, стареющей и раковой клеток.
Белые и чёрные кружки обознчают не- и метилированные CpG участки, соответственно.
"Здоровые" клетки обладают характерным "паттерном", таким как плотно расположенное ДНК метилирование повторяющихся последовательностей, не-метилирование CpG островков housekeeping генов, повышенный уровень моно-ацетилированного Lys16 и три-метилированного Lys20 четвёртого гистона. Раковые клетки, наоборот, характеризуются гипометилированием повторяющихся последовательностей ДНК, высокой степенью метилирования генов-супрессоров опухолей, ассоциированной с деактивацией транскрипции и привлечением DNMT1 и SIRT1 к этому локусу и снижение моно-ацетилированного Lys16 и три-метилированного Lys20 четвёртого гистона. В стареющей клетке, наблюдается прогрессирующее уменьшение метилированных цитозинов в повторяющихся последовательностях и присутствие островками 5-метилцитозина в регионах промоторов, ассоциируемым снижением активности SIRT1.

Гены из "сообщества стрения", такие как WRN или Lamin A/C, функционирующие нормально в "здоровой молодой" клетке становятся гиперметилированными и соответственно "молчащими" в раковой клетке или иметь мутации.

Manel Esteller считает, что глобальное уменьшение метилирования в "стареющей" клетке является результатом пассивного де-метилирования гетерохроматина в результате низкой эффективности работы DNMT1 или неверного притягивания фермента другими белками-ко-факторами.

Опять же, интересен тот факт, что глобальное ДНК гипометилирование, аберрантное метилирование промоторов и невысокая овер-экспрессия DNMT являются четкими характеристиками также и раковой клетки. Таким образом, накопление эпигенетических нарушений с возрастом может способствовать началу опухолеобразному процессу.

Репрограммирование транскрипции

Исследования геронтологов, в основном, фокусируются на взрослых и старых состояниях организма, при этом полностью пренебрегая возможную роль ранних стадий развития в определении долготы жизни определённого организма. До настоящего времени, лишь теория развития подтверждает, что скорости развития и скорости старения совпадают. Недавно, однако, ситуация изменилась и появился кластер новых гипотез, который несомненно подтверждают важность событий, происходящих на ранних стадиях развития, на продолжительность жизни. Многие организмы способны развиваться по разным программам, формируя характеристики, которые им позволяют адаптироваться к данным условиям. Часто, это те условия, в которых они развиваются на ранних стадиях или даже их родители/пра-родители приспособились жить.
Было показано, что изменения в эпигенетическом коде, произведённые на самых ранних стадиях развития, дли наилучший результат по продолжительности жизни у мышей. Также известно, что эти эффекты могут зависеть от "клеточной памяти" ,или, систем эпигенетической наследственности.Таким образом, в заключении автор делает следующий вывод: если индуцированное "ре-программирование транскрипции" действительно оказывается ключевым механизмом к продлению жизни, то специфические вмешательства на ранних стадиях жизни могут позволить достигнуть оптимального баланса между активацией/репрессией различных генов, что может предотвратить дегенеративные болезни, связанные с возрастом.

Современные направления

Нерешённые задачи в проблемах эпигенетических модификаций и старении:

- Какая геномная последовательность ДНК подвергется событиям гипер- или гипо-метилированию в стареющей клетке?

- Существует ли особый "гистоновый" код для стареющей клетки?

- Все ли клетки организма подвергаются одинаковой программе эпигенетической модели стареющей клетки?

- Существуют ли эпигенетические препараты, которые через изменение ДНК метилирования и гистоновых модификаций ускоряют или змедляют процесс стрения?

- Имеет ли клетка, не экспрессирующая прогероидный ген, имеет характерный аберрантный эпигеном?

- Имеет ли клетка с нарушенным паттерном ДНК метилирования или дефектным геном гистоновой модификацией, особый статус процесса старения?

- Сколько уровней пересечения существует между процессами старения и эпигенетических путей?

Литература по теме

Комментарии

Оставить комментарий

Поделиться с друзьями

Share on Twitter