Streszczenie
Rola metylacji DNA w kontroli ekspresji genów ssaków była przedmiotem intensywnych
badań w ostatnich latach, częściowo ze względu na kluczową rolę metylacji wysp CpG w inaktywacji guza genów supresorowych w rozwoju raka. Jednakże, badania pomogły również wyjaśnić rolę, jaką odgrywa metylacja DNA w normalnych komórkach. Obecnie jest również jasne, że metylacja DNA stanowi ważną część normalnych komórkowo-regulacyjnych procesów, w których reguluje transkrypcję genów. Metylowanie, ukierunkowane
na wyspy CpG, jest ważną częścią mechanizmów, które rządzą inaktywacją chromosomu X, ale także mają zasadnicze znaczenie dla utrzymania śladowych genów i, przynajmniej w niektórych przypadkach ma decydujące znaczenie dla określenia
komórkowych specyficznych typów ekspresji genów. Badanie tych przykładów będą istotne w identyfikacji mechanizmów, które kontrolują kierowanie metylacji DNA i określeniu jak procesy te są zaburzone w patogenezie choroby.
Wprowadzenie
Metylowanie na 5? pozycji reszt cytozyny, które tworzą część dinukleotydów CpG jest jedyną powszechnie występującą kowalencyjną modyfikacją DNA. ok. 70% miejsc CpG w genomie człowieka są metylowane [1]. CpG dinucleotides są niedostatecznie reprezentowane w całym genomie, z wyjątkiem krótkich odcinków DNA zwanych wyspami CpG. Te wyspy CpG są GC-bogatymi odcinkami DNA do kilku kb długości w przybliżeniu z oczekiwaną liczbą dinukleotydów CpG i często są związane z ludzkimi genami, często są promotorami / pierwszym eksonem genu. W przeciwieństwie do masowych ofDNA, miejsca CpG wewnątrz wysp CpG są w większości wolne od metyzacji. Badanie wpływu metylacji wysp CpG pokazały wyraźnie, że wzrost metylacji wysp CpG w promotorach genów
wiąże się z transkrypcyjną represją genu [2]. Zainteresowanie w dziedzinie metylacji DNA wzrosła
znacznie w ostatnich latach, ponieważ stało się jasne, że nieprawidłowa metylacji wysp CpG odgrywa istotną rolę w inaktywacji genów w rozwoju raka. Rzeczywiście, inaktywację genów spowodowana/ związana z metylacją wysp CpG jest prawdopodobnie równie ważna jak zmiany genetyczne w rozwoju i progresji raka [3]. Mimo odgrywania ważnej rolę w kontroli ekspresji genów w komórkach nowotworowych, uważa się, że metylacja odgrywają bardzo ograniczoną rolę w normalnych komórkach. Rzeczywiście, pomimo, że metylacja DNA pierwotnie była określana jako mechanizmu kontroli specyficzno-tkankowej ekspresji , analiza statusu metyzacji wysp CpG w dorosłych ludzkich somatycznych tkantach zdeterminowały to, że wyspy CpG były prawie zawsze wolne od metylacji, nawet w tkantach, w których związany gen nie był uwalniany. Jednakże istnieją pewne zestawy genów, dla których istnieje wyraźna korelacja pomiędzy metylacją wysp CpG i transkrypcyjną inaktywacją normalnych komórek. Niektóre z nich są już dobrze znane, natomiast inne przykłady dopiero teraz wychodzą na światło (rysunek 1).
Inaktywacja chromosomu X
U ssaków samice zawierają po dwie kopie chromosomu X, podczas gdy mężczyźni zawierają tylko jedną kopię. Problem kompensacji dawki można pokonać poprzez losową inaktywacji jednego chromosomu X u kobiety w okresie wczesnego rozwoju. Inaktywacja chromosomu X jest związana z rozpowszechnioną/szeroko zachodzącą metylacjią wysp CpG związanych z małą liczbą genów, które inaktywują ucieczkę (tak jak te w pseudoautosomalnych regionach) pozostają niezmetylowane w obydwu aktywnych i nieaktywnych chromosomach. Metylacja DNA wysp CpG wewnątrz nieaktywnego chromosomu X jest szczególnie ważna w utrzymaniu inaktywacji, podczas leczenia komórek inhibitorami metylacji powoduje to ponowną aktywację wcześniej wyciszonych genów na nieaktywnym chromosomie. Metylacja DNA może także odgrywać rolę w inicjacji inaktywacji chromosomu X, choć pozostaje to w sposób oczywisty udowodnić/wyjaśnić.
Liczba genów ssaków znane są jako IMPRINTED.
To znaczy, że są one funkcjonalnie haploidalne, z ekspresją która jest specyficznie ograniczona do albo ojcowsku albo matczynego odziedziczonego allelu. Metylacja DNA wydaje się być kluczowym elementem IMPRINTING sygnału i prawie wszystkie dotychczas zidentyfikowane IMPRINTED geny związane są z DMRs (różnie metylowane regiony). DMRs może mapować w regionie promotora IMPRINTED genów, ale także często występują w niepromotorowych sekwencjach. Przynajmniej w niektórych przypadkach te niepromotorowe DMRs występują w celu regulacji transkrypcji antysensowych produktów, które wierzy się że są antagonistami ekspresji sensowych produktów. Na przykład, gen myszy Igf2r jest matczynie wydzielany i EXHIBITS matczyną metyzację DMR w drugim intronie genu, który blokuje transkrypcję antysensowego produktu. Natomiast ojcowski allel EXHIBITS metylację promotorowego regionu Igf2r, ale nie jest etylowany wewnątrz drugiego intronu i co za tym idzie, wydziela antysensowy a nie sensowy produkt. DMR wewnątrz drugiego intronu figuruje jako kluczowy w kontroli IMPRINTED sygnału, ponieważ delecja tego regionu powoduje dialleliczną ekspresję Igf2r.
Jądrowo specyficzne geny
Duża grupa genów, które są wydzielane w szczególności w jądrach, występują jako przedmiot do inaktywacji przez metylację wysp CpG w tkantach somatycznych. podlegać inaktywacji przez CpG]. Pierwszym z nich, który został zidentyfikowany był gen MAGE1 (czerniak związany z
antygenem), po odkryciu, że
często jest reaktywowany w czerniaku. W następstwie tego, Ustalono, że MAGE1 był częścią jednej z wielu rodzin jądrowo- specyficznych genów (np. GAGE, STRONA
i rodziny XAGE), w odniesieniu do wielu unikalnych jądrowo- specyficznych genów, wszystkie z nich wywołują metylację wysp CpG i transkrypcyjną represję w komórkach somatycznych. Wiele
z nich okazało się być ponownie wydzielanych w komórkach guza, zależnie od demetylacji wysp CpG, doprowadziło to do podsumowania, że metyzacja wysp CpG była dominującym mechanizmem represji transkrypcji.
Metylacja DNA i komórkowo specyficzne typy ekspresji
Chociaż powyższe przykłady pokazują, że niektóre wyspy CpG mogą być metylowane w normalnych komórkach, te wzorce metylacji są identyczne we wszystkich typach komórek somatycznych, i metylacja wysp CpG nie była powszechnie uważana, że jest zaangażowana w tkankowy albo komórkowo specyficzny typ ekspresji genów.Ostatnio jednak wykazano, że co
najmniej mała liczba genów, komórek specyficznego typu metylacji wysp CpG
ma kluczowe znaczenie w regulacji ich komórkowo specyficznych typów ekspresji. Pierwszy przykład takiego genu, maspin, został opisany przez Futscher et al. [13]. Gen Maspin
znany był często jako hipermetylowany w nowotworach piersi i był określony jako ważny w kontroli przerzutów. Jednak badania nad normalnymi komórkami dowiodły, że Chociaż gen maspin był niezmetylowany i wydzielany w komórkach epidermalnych(komórki pochodzenia nabłonkowego), był metylowany i jego ekspresja była stłumiona w komórkach mezenchymalnych i komórkach układu krwiotwórczego. Ponadto, zahamowanie metylacji DNA spowodowało re ekspresje maspin, pokazało to, że metyzacja była wymagana do represji transkrypcji. Następnie drugi przykład metylacji wysp CpG i ekspresji MCJ. MCJ został zidentyfikowany jako gen często hipermetylowany w raku jajnika i związany z chemioterapeutyczną opornością na leki. W przeciwieństwie do maspin, MCJ wywołuje metylację wysp CpG i transkrypcyjną represję w komórkach epidermalnych(nabłonkowych), ale był wydzielany i niezmetylowany w komórkach mezenchymalnych i komórkach układu krwiotwórczego. Co najmniej dwa inne geny wykazują podobny komórkowo specyficzny typ metylacji. 14-3-3σ wykazuje bardzo podobny wzorzec metylacji wysp CpG i ekspresji w porównaniu z maspin i metylacji została zidentyfikowana zarówno w fibroblastach jak i komórkach krwiotwórczych [17], mimo że dwa geny różnią się w ich metylacji i ekspresji jajnikowych powierzchniowych komórkach nabłonkowych. Podobnie, gen HoxA5, członek rodziny genów Hox, który odgrywa kluczową rolę w rozwoju i różnicowaniu, powoduje metylację wysp CpG, w szczególności w komórkach układu krwiotwórczego i mezenchymalnych . Mechanizmy kontrolujący komórkowo specyficzne typy metylacji DNA musi być zidentyfikowany. Ostatnie prace określiły wzorce modyfikacji histonów po metylacji dwóch z tych genów (DKO i HoxA5), które różnią się od tych obserwowanych w IMPRINTED genach lub genach hipermetylowanych w raku, co sugeruje, że określone szlaki mogą istnieć dla interpretacji sygnałów metylacji DNA tych genów/ w tych genach.