Распространение метилирования ДНК.

Метилирование оснований в ДНК было открыто свыше 50 лет назад и наблюдается практически во всех классах живых организмов. ДНК прокариот содержит модифицированные основания ^-метиладенин и 5-метилцитозин, тогда как для эукариот характерно наличие в основном 5-метилцитозина.

У млекопитающих 5-метилцитозин в геноме встречается практически только в составе CpG динуклеотида. При этом количество CpG динуклеотидов снижено из-за высокой мутабильности 5-метилцитозина, который с высокой вероятностью подвергается спонтанному дезаминированию и превращению в тимин. Это обстоятельство привело в процессе эволюции к многочисленным заменам пар G:C на A:T, в результате чего в геноме млекопитающих динуклеотидов CpG в ~ 5-раз меньше, чем следовало бы ожидать (Gardiner-Gardner and Frommer 1987). У человека

~80% всех CpG динуклеотидов метилировано, и эти метилированные CpG динуклеотиды рассредоточены по геному в виде одиночных сайтов (Bird

1995).

В то же время в геноме позвоночных существуют скопления неметилированных CpG динуклеотидов, именуемых CpG-островками (у человека ~20% от всего числа CpG динуклеотидов). Эти последовательности обладают длиной от 0.5 до 5 т.п.н. (в среднем 1 т.п.н.), встречаются приблизительно один раз на 100 т.п.н., имеют высокую плотность CpG динуклеотидов (близкое к расчетному 1:16), их GC состав превышает 0.55, а отношение экспериментально найденного числа CpG к теоретически возможному составляет не менее 0.6 (Antequera and Bird 1993; Takai and Jones 2002). На основании компьютерного анализа в геноме человека предсказано существование 29 тыс. CpG-островков (Lander et al. 2001; Venter et al. 2001). CpG-островки расположены вблизи генов, преимущественно в 5' области (регуляторные последовательности, промоторы, последовательности первого экзона). Считается, что ~60% человеческих генов содержат CpG-островки (Antequera and Bird 1993). Они имеются, по-видимому, у всех генов, выполняющих базовые клеточные функции (гены "домашнего хозяйства"), и у ~40% генов, выполняющих специализированные функции (тканеспецифические гены). Большинство из CpG-островков остаются неметилированными на всех стадиях развития организма и во всех типах тканей, даже когда ассоциированный с ними ген не функционирует. Например, тканеспецифические гены человека а-глобин (Bird et al. 1987) и а2(1)-коллаген (McKeon et al. 1982) имеют CpG-островки, которые остаются неметилированными во всех протестированных тканях, независимо от статуса экспрессии гена. В то же время в клетке может происходить метилирование CpG-островка, что сопровождается стабильной инактивацией связанного с ним гена. Так, во время развития метилирование CpG-островков наблюдается при установлении геномного импринтинга и инактивации Х хромосомы (см. обзор Bird 2002), а также наблюдается при патологических

процессах, например при канцерогенезе.

Считается, что метилирование CpG-островков в регуляторных областях

приводит к перестройке хроматина в неактивное состояние, что вызывает

инактивацию транскрипции метилированного гена (см.

метилированному локусу ДНК гистоновые деацетилазы, которые, в свою очередь, удаляют ацетильные группы у гистонов в составе нуклеосом. Такая

модификация гистоновых белков приводит к превращению открытой, транскрипционно-активной структуры хроматина в закрытую,

транскрипционно-неактивную (рис. 1).

В тоже время транскрипция может регулироваться метилированием одиночных CpG динуклеотидов, расположенных в области промотора в зоне сайта связывания ряда транскрипционных факторов. Метилирование в этом случае имеет относительно локальный характер, препятствуя связыванию чувствительных к метилированию факторов транскрипции, и варьирует в широких пределах в разных тканях. В настоящий момент известно около 20 метилчувствительных транскрипционных факторов. Например, такое сайт-специфическое метилирование и ассоциированная с ним инактивация транскрипции наблюдается в случае с промотором GK-интерферона (Melvin et al. 1995) и участком связывания CREB (cyclic AMP response element-binding protein) промотора гена в-глобина (Iguchi-Ariga et al. 1989). Подобная регуляция может наблюдаться как для генов, обладающих CpG-островками, так и для тканеспецифических генов, их не имеющих. Однако роль метилирования в этом случае ограничивается влиянием на доступность сайта связывания чувствительному к метилированию транскрипционному фактору и реализуется только при наличии в клетке соответствующего белкового фактора.