Метилирование ДНК — модификация молекулы ДНК без изменения самой нуклеотидной последовательности ДНК, что можно рассматривать как часть эпигенетической составляющей геномаBethany A. Buck-Koehntop and Pierre-Antoine Defossez (2013) On how mammalian transcription factors recognize methylated DNA. 8(2), 131—137 https://dx.doi.org/10.4161/epi.23632Seisenberger S, Peat JR, Hore TA, Santos F, Dean W, Reik W.(2013) Reprogramming DNA methylation in the mammalian life cycle: building and breaking epigenetic barriers. Phil. Trans. R. Soc. B 368, 20110330. doi:10.1098/rstb.2011.0330Kelsey G, Feil R. (2013) New insights into establishment and maintenance of DNA methylation imprints in mammals. Phil. Trans. R. Soc. B 368, 20110336. doi:10.1098/rstb.2011.0336. Метилирование ДНК заключается в присоединении метильной группы к цитозину в составе CpG-динуклеотида в позиции С5 цитозинового кольца. Метилирование в промоторной зоне оперона, как правило, приводит к подавлению соответствующего гена (генов). Метилированный цитозин может затем окисляться особыми ферментами, что в конечном итоге приводит к его деметилированию обратно в цитозинRahul M. Kohli & Yi Zhang (2013) TET enzymes, TDG and the dynamics of DNA demethylation. Nature 502(7472), 472—479 doi:10.1038/nature12750.
Метилирование ДНК считается, в основном, присущим эукариотам. У человека метилировано около 1 % геномной ДНК. В соматических клетках взрослого организма метилирование ДНК обычно происходит в CpG-динуклеотидах; метилирование ДНК вне CpG-динуклеотидов встречается в эмбриональных стволовых клетках.
Более того, метилирование ДНК вне CpG-динуклеотидов является отличительной чертой эпигенома плюрипотентных стволовых клеток, а снижение не-CG-метилирования связано с нарушением способности к дифференцировке в энтодермальные линии клетокLee M. Butcher, Mitsuteru Ito, Minodora Brimpari, Tiffany J. Morris, Filipa A. C. Soares, Lars Ährlund-Richter, Nessa Carey, Ludovic Vallier, Anne C. Ferguson-Smith, Stephan Beck. (2016). Non-CG DNA methylation is a biomarker for assessing endodermal differentiation capacity in pluripotent stem cells. Nature Communications 7, Article number: 10458
У растений метилирование цитозина происходит как симметрично по обеим цепям (на CpG или CpNpG), так и асимметрично лишь на одной из двух цепей (на CpNpNp, где N обозначает любой нуклеотид).
Метилирование ДНК у млекопитающих Около 60—70 % всех CpG-динуклеотидов у млекопитающих метилированы. Неметилированные CpG-динуклеотиды сгруппированы в так называемые , которые присутствуют в 5’-регуляторных областях многих генов. Различные заболевания, например рак, сопровождаются начальным аномальным гипометилированием ДНК и последующим гиперметилированием CpG-островков в промоторных областях генов, что приводит к устойчивой репрессии транскрипции. Репрессия транскрипции в этом случае опосредована белками, которые способны связываться с метилированными CpG-динуклеотидами. Эти белки, называемые метилцитозин-связывающими белками, привлекают деацетилазу гистонов (HDAC) и другие факторы, участвующие в ремоделировании хроматина. Сформировавшийся комплекс может модифицировать гистоны, формируя конденсированную транскрипционно неактивную структуру гетерохроматина. Влияние метилирования ДНК на структуру хроматина имеет большое значение для развития и функционирования живого организма. В частности, отсутствие метилцитозин-связывающего белка 2 (MeCP2) вследствие, например, мутации в соответствующем гене, приводит к развитию синдрома Ретта у человека; инактивация метилцитозин-связывающего доменного белка 2 (Methyl-CpG binding domain protein 2 — MBD2), который участвует в репрессии транскрипции гиперметилированных генов, отмечена при онкологических заболеваниях.
Метилирование ДНК у человека У человека за процесс метилирования ДНК отвечают три фермента, называемые ДНК-метилтрансферазами 1, 3a и 3b (DNMT1, DNMT3a, DNMT3b), соответственно. Предполагается, что DNMT3a и DNMT3b — это метилтрансферазы de novo, которые осуществляют формирование модели метилирования ДНК на ранних стадиях развития, а также её изменения в процессе дифференцировки клеток. Существует гипотеза о том, что метилирование ДНК de novo вызывается, в частности, интерферирующими РНК при помощи РНК-зависимого метилирования ДНК — процесса, возникшего в ходе эволюции с целью репрессии мобильных элементов генома. DNMT1 является ДНК-метилтрансферазой, которая поддерживает метилированное состояние ДНК, присоединяя метильные группы к одной из цепей ДНК в точках, где другая, комплементарная ей цепь, метилирована. Предполагается, что роль ингибиторов DNMT1, регулирующих метилирование ДНК, выполняют не-полиаденилированные длинные некодирующие РНК (lncRNA)Fan Lai and Ramin Shiekhattar (January 2014). Where long noncoding RNAs meet DNA methylation . Cell Research, doi: 10.1038/cr.2014.13 Белок DNMT3L гомологичен другим DNMT-белкам, но не имеет каталитической активности. Вместо этого DNMT3L поддерживает de novo-метилтрансферазы, способствуя связыванию этих ферментов с ДНК и стимулируя их активность.
Важными этапами в развитии злокачественных новообразований является предварительное гипометилирование ДНКElias Daura-Oller, Maria Cabre, Miguel A Montero, Jose L Paternain, and Antoni Romeu (2009)"Specific gene hypomethylation and cancer: New insights into coding region feature trends". Bioinformation. 2009; 3(8): 340—343.PMID PMC2720671 и последующая инактивация генов-супрессоров опухолевого ростаStepanenko, A. A., & Kavsan, V. M. (2012) Immortalization and malignant transformation of Eukaryotic cells. Cytology and Genetics, 46(2), 96-129. В случае, когда инактивация была обусловлена метилированием промоторной области гена, проводились эксперименты по возобновлению экспрессии путём ингибирования DNMT. 5-aza-2'-дезоксицитидин (децитабин) является нуклеозидным аналогом, ингибирующим DNMT-метилтрансферазы. Механизм действия препарата основан на ковалентном связывании фермента в комплексе с ДНК, что делает невозможным выполнение ферментом своей функции и приводит к деградации метилтрансферазы. Однако для того, чтобы децитабин был активен, он должен встроиться в геном клетки, но это, в свою очередь, может вызвать мутации в дочерних клетках, если клетка не погибает и продолжает деление. К тому же, децитабин токсичен для костного мозга, что сужает область его терапевтического применения. Эти ограничения привели к интенсивному поиску методов терапевтического воздействия, основанных на использовании «антисмысловых» РНК, которые противодействуют DNMT посредством деградации её мРНК и, следовательно, блокируют трансляцию. Возможность осуществить избирательно деметилирование гена и таким образом изменить его экспрессию даёт открытие, так называемой, экстракодирующей РНК (extracoding RNA), которая способна связываться с DNMT1, блокируя его способность осуществлять метилирование конкретного генаDi Ruscio, A., Ebralidze, A. K., Benoukraf, T. Et al. & Tenen, D. G. (2013)DNMT1-interacting RNAs block gene-specific DNA methylation. Nature; DOI: 10.1038/nature12598. Тем не менее, по-прежнему остаётся открытым вопрос о том, является ли ингибирование функции DNMT1 достаточным условием для увеличения экспрессии генов-супрессоров, негативная регуляция транскрипции которых осуществляется метилированием ДНК.
Анализ персональных транскриптомов и метилломов человека показал, что корреляция между метилированием и экспрессией генов наблюдается только у менее 20% геновRubina Tabassum, Ambily Sivadas, Vartika Agrawal, Haozheng Tian, Dalia Arafat and Greg Gibson (2015).Omic personality: implications of stable transcript and methylation profiles for personalized medicine . Genome Medicine 2015, 7:88
Янг с соавт. разработали эффективный метод избирательного целевого деметилирования конкретных CpG в клетках человека с использованием объединённого путём молекулярной инженерии избирательно связывающего ДНК домена и каталитического домена гидроксилазы, катализирующего превращение 5-метилцитозина в 5-гидроксиметилцитозинMaeder, M. L., Angstman, J. F., Richardson, M. E., et al. & Joung, J. K. (2013). Targeted DNA demethylation and activation of endogenous genes using programmable TALE-TET1 fusion proteins. Nature biotechnology. doi:10.1038/nbt.2726. Используя эту объединённую молекулу TALE-TET1, они показали, что деметилирование определённых CpG промотора может привести к существенному увеличению экспрессии соответствующих генов человека. Значительно упростит создание избирательных деметилаз разработка фермента на основе инактивированной молекулы dCas9 (не способной разрезать ДНК). Это позволит направлять деметилазу на выбранные для активации гиперметилированные генные промоторы с помощью направляющей РНК.Xu, X., Tao, Y., Gao, X., Zhang, L., Li, X., Zou, W., ... & Hu, R. (2016). A CRISPR-based approach for targeted DNA demethylation . Cell Discovery, 2. , Article number: 16009(2016)
Разработана среда, которая вызывает гипометилирование ДНК в клетках in vitro. Эта среда, называемая 2i, содержит два низкомолекулярных ингибитора, один из которых ингибирует сигнальный путь ERK1 / 2, а другой . Она широко используется для перепрограммирования и поддержания плюрипотентного состояния клетокGabriella Ficz, Timothy A. Hore, Fátima Santos, et al. & Wolf Reik (2013) FGF Signaling Inhibition in ESCs Drives Rapid Genome-wide Demethylation to the Epigenetic Ground State of Pluripotency . Cell Stem Cell, 13(3), 351—359 https://dx.doi.org/10.1016/j.stem.2013.06.004Hakan Bagci, Amanda G. Fisher (2013) DNA Demethylation in Pluripotency and Reprogramming: The Role of Tet Proteins and Cell Division. Cell Stem Cell, 13(3), 265—269 doi: 10.1016/j.stem.2013.08.005.
Изменения метилирования ДНК при старении Ещё в 1970-х годах в работах Ванюшина и ряда других сотрудников биофака МГУ была выявлена взаимосвязь этапов индивидуального развития и старения животных и человека с изменениями такой ферментативной модификации как метилирование ДНКВанюшин Б., Бердышев Г. (1977). Молекулярно-генетические механизмы старения . Изд-во Медицина. Москва. Букинистическое издание.. За цикл работ «Метилирование ДНК — эпигенетический контроль за генетическими функциями организма» Ванюшину была вручена премия имени А. Н. Белозерского.