ДНК-метилирование и регуляция экспрессии генов Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

Н. С. Волкова, А. С. Ермаков ДНК-метилирование и регуляция экспрессии генов

Эпигенетика и реализация генетической информации в клетках многоклеточных

ДНК в клетках многоклеточных организмов одинакова, но в разных типах клеток экспрессируется различный набор генов. Приобретя определенную спецификацию, клетка сохраняет ее и передает дочерним клеткам в процессе деления. Наука, изучающая изменения в активность генов, которые не связаны с изменением нуклео-тидной последовательности кодирующих участков ДНК, называется эпигенетикой.

Метилирование ДНК и экспрессия генов

Наиболее изученным механизмом эпигенетической регуляции является метилирования ДНК, в ходе которого метильная группа (CH3) добавляется к цитозиновым основаниям ДНК (Adalsteinsson and Ferguson-Smith, 2014, Li and Zhang, 2014). Метилирование ДНК влияет на уровень транскрипции. Метильная группа метилцитозина находится в большой бороздке спирали ДНК, с которой взаимодействуют большинство ДНК-связывающих белков. В настоящее время описаны два механизма репрессии генов при метилировании. В случае первого механизма с метилированными CpG-динуклеотидами связываются специфические белки, с которыми затем связываются белки, участвующие в ремоделировании хроматина, делая хроматин транскрипционно неактивным (Miranda and Jones, 2007). При альтернативном механизме метилирование препятствует связыванию ДНК с регуляторными белками, необходимыми для экспрессии генов (Prendergast et al., 1991, Adalsteinsson and Ferguson-Smith, 2014). Чаще всего метилирование «выключает» ген, а деметилирование его «включает». В клетках млекопитающих метилирование, как правило, происходит в CpG-островках, в клетках млекопитающих метилировано 70-80% таких сайтов (Li and Zhang, 2014).

Метилирование ДНК возникло у прокариот как механизм защиты против транскрипции чужеродной ДНК. У эукариот оно используется для стабильной репрессии собственных генов (инактивация X-хромосомы, импринтинг, сайленсинг повторов, регуляция тканеспе-цифической экспрессии) (Jablanka and Regev, 1995).

Клетка обладает так называемой «эпигенетическою памятью» т. е. способна сохранять паттерн эпигенетических модификаций при делении. В ходе митотических делений дочерние клетки наследуют не только прямую генетическую информацию в виде новой копии всех генов, но и паттерн их активности. Одним из таких процессов

является поддерживающее метилирование, активирующиеся при каждом клеточном делении.

Геномный импритинг

Обычно гены, полученные от каждого из родителей, имеют равные шансы экспрессироваться в клетке, однако некоторые гены, находящиеся на аутосомных хромосомах, экспрессируются в зависимости от того, от какого из родителей они были унаследованы. Например, ген, расположенный на хромосоме, полученной от матери, будет проявлять активность, а этот же ген, расположенный на хромосоме, полученной от отца, будет подавлен. Подавление экспрессии генов в зависимости от того, от кого из родителей они унаследованы, называется геномным импринтингом (Barlow and Bartolomei, 2014).

У человека известно около двух сотен генов, подверженных геномному импринтингу, у мышей - около сотни, также геномный им-принтинг есть и у цветковых растений. Это явление отсутствует у яйцекладущих млекопитающих, а у сумчатых показано всего для шести генов (Rodrigues and Zilberman, 2015, Barlow and Bartolomei, 2014). При геномном импринтинге происходит метилирование ДНК в специальных регуляторных регионах, богатых CpG-последовательностями генов, которые, как правило, сгруппированы в кластеры (Autuoro et al., 2014). В клетках млекопитающих известны две системы метилирования: метилирование de novo и поддерживающее.

Значение импринтинга до конца не изучено, но известно, что большинство генов, подверженных импринтингу, регулируют развитие плаценты и плода. На ранних стадиях развития мыши геном отца преимущественно обеспечивает развитие провизорных органов, а геном матери - эмбриональных структур. Только материнский или только отцовский геномы не в состоянии обеспечить нормальное развитие эмбриона. Значительная часть импринтированных генов экспрессируется преимущественно в клетках головного мозга (Wilkinson et al., 2007).

Инактивация Х-хромосомы

\ / W W

У млекопитающих самцы имеют одну копию каждой половой хромосомы: X и Y, тогда как в клетках самок содержится две копии женской хромосомы X - одна из них наследуется от матери, другая от отца. X-хромосома - крупная и содержит множество генов, двукратное увеличение экспрессии которых привело к серьезному дисбалансу. Процесс инактивации одной из двух Х-хромосом решает проблему дозовой компенсации, т. е. выровняется уровень экспрес-

сии множества генов между полами, в клетках женского организма «замалчивается» одна Х-хромосома.

Регулирует процесс центр Х-инактивации (XIC) - локус на Х-хромосоме, содержащий информацию о несколько длинных неко-дирующих РНК, отвечающих за инактивацию. Наиболее значимым является ген Xist, продукт которого Xist-РНК - одна из первых идентифицированных длинных некодирующих РНК (Brown et al., 1991). Антисмысловые некодирующие РНК регулируют экспрессию генов, связываясь с комплементарными последовательностями ДНК или мРНК. Инактивация Х-хромосомы происходит стохастически в пост-имплантационный период: в эмбриональных клетках случайным образом инактивируется материнская либо отцовская Х-хромосома. Продукт гена Xist - антисмысловая Xist-РНК постепенно покрывает инактивированную хромосому (Autuoro et al., 2014). В конечном итоге неактивная Х-хромосома упаковывается в транскрипционно неактивный гетерохроматин (тельце Бара). Впоследствии данная Х-хромосома будет оставаться неактивной во всех дочерних клетка организма, и с этой точки зрения женский организм является мозаичным.

Заключение

Метилирование ДНК широко распространено среди эукариот и является эпигенетическим механизмом регуляции экспрессии генов. Метилирование изменяет активность и структуры определенных фрагментов ДНК, не влияя на сиквенс. Этот механизм участвует в регуляции важнейших биологических процессов, таких как регуляция экспрессии генов, геномный импринтинг, инактивация X-хромосомы у млекопитающих. Изучение метилирования ДНК не только представляет интерес с точки зрения фундаментальной науки, но может иметь важное медицинское значение для понимания этиологии заболеваний, при которых происходит нарушение экспрессии генов.

Список литературы

1. Adalsteinsson BT, Ferguson-Smith AC. Epigenetic control of the genome-lessons from genomic imprinting. Genes (Basel). 2014; 14;5(3):635-55.

2. Autuoro JM, Pirnie SP, Carmichael GG. Long noncoding RNAs in imprinting and X chromosome inactivation. Biomolecules. 2014; 7;4(1):76-100.

3. Barlow DP, Bartolomei MS. Genomic imprinting in mammals. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2014;1;6(2). pii: a018382.

4. Brown C.J.; Ballabio A.; Rupert J.L.; Lafreniere R.G.; Grompe M.; Tonlorenzi R.; Willard H.F. A gene from the region of the human X inactivation centre is expressed exclusively from the inactive X chromosome. Nature. 1991; 349: 38-44.

5. Jablanka E, Regev A. Gene number, methylation and biological complexity. Trends Genet. 1995;11(10):383-4.

6. Li and Zhang. DNA Methylation in Mammals. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2014;6:a019133.

7. Miranda TB, Jones PA.DNA methylation: the nuts and bolts of repression. J Cell Physiol. 2007;213(2):384-90.

8. Prendergast, G.C.; Lawe, D.; Ziff, E.B. Association of Myn, the murine homolog of Max, with c-Myc stimulates methylation-sensitive DNA binding and Ras co-transformation. Cell. 1991; 65,395-407.

9. Rodrigues JA, Zilberman D. Evolution and function of genomic imprinting in plants. Genes Dev. 2015;15;29(24):2517-31.

10. Wilkinson, L.S.; Davies, W.; Isles, A.R. Genomic imprinting effects on brain development and function. Nat. Rev. Neurosci. 2007; 8: 832-843.

К. М. Костюхина, Ф. Б. Ганнибал, Н. В. Мироненко

Биотехнологические подходы в изучении грибов-патогенов пшеницы (Pyrenophora tritici-repentis и Cochliobolus sativus)

Пшеница является одной из древних культур, возделываемых человеком, и самым распространенным культурным растением в мире. Она выращивается в любых климатических зонах, практически на всех континентах. Популярность этой зерновой культуры объясняется разносторонностью применения зерна. Оно используется для продовольственных, кормовых и технических целей. Одним из лимитирующих факторов получения высоких урожаев пшеницы в основных зонах его возделывания являются болезни, вызываемые фитопатогенными грибами. Причиной различных заболеваний пшеницы являются грибы, причем в этом процессе принимают участие представители систематических классов, порядков, семейств, находящихся на разных ступенях эволюционного развития.

К числу опасных болезней пшеницы относятся желтая и темно-бурая пятнистости листьев. Вредоносность болезней состоит как в потери урожая из-за снижения фотосинтеза растений, так и в ухудшении качества зерна, что иногда делает его непригодным для получения круп и муки.

В последнее время желтая и темно-бурая пятнистости листьев пшеницы стали появляться на территории России заметно чаще и вызывать снижение качества и количества зерна. Традиционные методы защиты растений, применяемые против других грибных болезней, не всегда дают желаемые результаты. В связи с этим необходимо разработать новые подходы к решению наиболее актуальных проблем защиты растений, в особенности защиты зерновых культур. Используя современные достижения биотехнологии, необходимо разработать молекулярные методы изучения, маркиро-