DNA metülatsioon

DNA metülatsioon on biokeemiline protsess, mis on olulise tähtsusega kõrgemate organismide normaalses arengus. See hõlmab metüülrühma lisamist tsütosiini pürimidiini 5' süsiniku või adeniini puriini kuuenda lämmastiku külge (tsütosiin ja adeniin on kaks DNA neljast alusest). Raku jagunemisel võib selline DNA modifikatsioon edasi kanduda. DNA metülatsioonil on ülioluline ülesanne kõrgemate organismide rakkude diferentseerumisel ja normaalsel arengul. DNA metülatsioon modifitseerib stabiilselt geeni ekspressioonimustreid rakkudes nii, et rakud "mäletaksid, kus nad on olnud" või vähendaksid geeniekspressiooni. Näiteks rakud, mis on määratud olema embrüonaalsed pankrease saarekesed jäävad pankrease saarekesteks organismi kogu eluks, ilma et signaalid peaksid seda neile ikka ja jälle meelde tuletama. DNA demetüleeritakse tavaliselt sügoodi arenemisel ning metüleeritakse uuesti arengu jooksul üksteisele järgnevate rakujagunemiste jooksul. Ent viimaste uuringute põhjal toimub sügoodis pigem metüülrühmade hüdroksülatsioon kui metüülgruppide täielik eemaldamine. Osa metüleerimisel tekkinud modifikatsioone, mis mõjutavad geeniekspressiooni, on päritavad, ning seda nähtust nimetatakse epigeneetiliseks regulatsiooniks. Lisaks surub DNA metülatsioon alla aja jooksul genoomi sisenenud viiruslike geenide ja muude kahjulike elementide ekspressiooni. Lisaks luuakse DNA metülatsiooni abil kromatiini baasstruktuur, mis võimaldab rakkudel moodustada lõputuid iseloomulikke tunnuseid, et saavutada hulkrakset elu vaid ühe ainsa muutumatu DNA ahela põhjal. DNA metülatsioon on oluline ka peaaegu kõigi vähkkasvajate tekkes. DNA metülatsioonil tsütosiini 5' süsinikul on eriline mõju geeniekspressiooni vähendamisel ning seda on täheldatud kõigil seni uuritud selgroogsetel. Täiskasvanud somaatilistes kudedes avaldub DNA metülatsioon üldjuhul CpG dinukleotiidi kontekstis, embrüo tüvirakkudes on valdav mitte-CpG metülatsioon. DNA metülatsioon on normaalseks arenguks hädavajalik ning seda seostatakse mitme võtmeprotsessiga nagu genoomi vermimine, X-kromosoomi inaktiveerimine, korduvate elementide allasurumine ja onkogenees. 60–90% kogu CpG piirkondade metülatsioonist toimub imetajates. Evolutsiooni käigus muutuvad metüleeritud tsütosiini jäägid deamineerimise kaudu spontaanselt tümidiini jääkideks, seega muteeruvad CpG dinukleotiidid TpG dinukleotiidideks, millele viitab ka CpG dinukleotiidide defitsiit inimese genoomis (esinevad kõigest 21% arvestatud tõenäosusest). Teisest küljest tingib aga spontaanne metüleerimata tsütosiini jäägi deamineerimine uratsiili tekke, mis on omakorda raku mutatsioon, mille raku reparatsioonimehhanismid suudavad kergesti avastada ja seejärel kiirelt parandada. Metüleerimata CpG-d moodustavad gruppe, mida tihti nimetatakse CpG saarteks, ja need asuvad paljude geenide 5' regulatoorses osas. Paljude haiguste (nt vähi) korral iseloomustab promootorjärjestuse CpG saari ebanormaalne hüpermetülatsiooni, mis omakorda toob kaasa transkriptsioonilise vaigistamise, mis võib raku jagunemisel kanduda edasi tütarrakkudesse. On kindlaks tehtud, et muudatustel DNA metülatsioonis on oluline roll vähkkasvajate tekkel. Hüpometülatsioon esineb enamasti varem ja on seotud kromosomaalse tasakaalutusega ja DNA vermimise langusega, samas kui hüpermetülatsiooni seostatakse promootoritega ning sellel võib olla geeni (onkogeeni supressori) vaigistamise kõrval teisene tähtsus, kuid see võib osutuda ka epigeneetilise teraapia sihtmärgiks. DNA metülatsioon võib mõjutada geenide transkriptsiooni kahel viisil. Esiteks võib DNA metülatsioon füüsiliselt takistada transkriptsiooniks vajalike valkude kinnitumist geenile ning teiseks, mis on tõenäoliselt veelgi tähtsam, võivad metüleeritud DNA-d siduda valgud, mida tuntakse kui metüül-CpG-ga seostuva domeeniga valke. Sellisel juhul värbavad metüül-CpG-ga seostuva domeeniga valgud lookusele juurde lisavalke nagu histooni deatsetülaase ja muid kromatiini ümber korraldavaid valke, mis suudavad histoone modifitseerida, moodustades kompaktse inaktiivse kromatiini, mida nimetatakse heterokromatiiniks. See ühendus kromatiini struktuuri ja DNA metülatsiooni vahel on eriti tähtis, kuna metüül-CpG-ga seostuva valgu 2 (MeCP2) defitsiiti on täheldatud Rett'i sündroomi korral ja metüül-CpG-ga seostuva domeeni valk 2 (MBD2) viib läbi hüpermetüleeritud geenide transkriptsioonilist vaigistamist vähi korral. Uuringud on ka näidanud, et inimeste püsimälu võib reguleerida DNA metülatsioon. DNA metülatsioon on oluline regulaator geeni transkriptsioonil ning on palju tõendeid selle kohta, et geenid, mille promootorregioonis on suur kogus 5-metüültsütosiini, on transkriptsiooniliselt vaigistatud, ja et pikaajalise geenivaigistamise korral DNA metülatsioon tasapisi akumuleerub. DNA metülatsioon on esmase tähtsusega embrüo arengus ning somaatilistes rakkudes kantakse DNA metülatsioonimustrid enamasti väga täpselt üle ka tütarrakkudele. Ebatüüpilisi DNA metülatsioonimustreid seostatakse mitmesuguste inimesel esinevate kasvajatega ning on leitud kaks eri vormi: hüpermetülatsioon ja hüpometülatsioon võrreldes normaalse koega. Hüpermetülatsioon avaldub tavaliselt CpG saartel promootorregioonis ning on seotud geeni inaktivatsiooniga. Üleüldist hüpometülatsiooni on samuti täheldatud vähi väljakujunemises ja arengus eri mehhanismide kaudu. Imetaja rakkudes toimub DNA metülatsioon enamasti CpG dinukleotiidi viienda süsiniku juures ning see viiakse läbi üldiselt kahte klassi kuuluvate ensümaatiliste protsessidena – säilitusmetülatsiooni ja de novo metülatsiooni näol. Säilitusmetülatsiooni aktiivsus on tähtis DNA metülatsiooni säilitamiseks pärast iga DNA replikatsioonitsüklit rakus. Ilma DNA metüültransferaasita (DNMT) sünteesiks raku replikatsiooni masinavärk ise tütarahelaid, mis on metüleerimata, ning see võib ajapikku viia passiivse demetüleerimiseni. DNMT1 on välja pakutud säilitus-metüültransferaas, mis vastutab DNA metüleerimismustrite kopeerimise eest tütarahelatesse DNA replikatsioonil. Transgeensed hiired, kelle rakkudes on mõlemad DNMT1 alleelid eemaldatud, surevad embrüo arengu üheksandal päeval, mis viitab DNMT1 kriitilisele tähtsusele imetaja rakkude arengus. Arvatakse, et DNMT3a ja DNMT3b on de novo metüültransferaasid, mis hoolitsevad DNA metülatsioonimustrite eest organismi varajases arengus. DNMT3L on valk, mis on homoloogne teise metüültransferaasiga DNMT3s, kuid sellel puudub katalüütiline aktiivsus. Selle asemel toetab DNMT3L de novo metüültransferaase, suurendades nende võimet DNA-ga seonduda ning stimuleerides nende aktiivsust. Viimaks peetakse DNMT2 (TRDMT1) DNA metüültransferaasi homoloogiks, sisaldades kõiki kümmet sekventsi motiivi, mis on omased kõikidele DNA metüültransferaasidele. Siiski ei metüleeri DNMT2 (TRDMT1) DNA-d, vaid lämmastikalust tsütosiin-38 aspartaathappe tRNA antikoodoni silmuse struktuuris. Kuna palju tuumori supressorgeene on DNA metülatsiooni tõttu onkogeneesil vaigistatud, on proovitud neid geene taas ekspresseerida, inhibeerides DNMT-sid. 5-asa-2'-deoksütsütidiin (detsitabiin) on nukleosiidi analoog, mis inhibeerib DNMT-sid, lukustades neid DNA-s kovalentsesse struktuuri, takistades katalüüsi β-eliminatsiooni faasi, tuues kaasa ensüümide lagunemise. Kuid selleks, et 5-asa-2'-deoksütsütidiin oleks aktiivne, peab see olema integreerunud raku genoomi, mis omakorda võib põhjustada mutatsioone tütarrakkudes, kui rakk ei sure. Lisaks on 5-asa-2'-deoksütsütidiin luuüdile toksiline, mis piirab selle aine ravivõimalusi. Need komistuskivid on viinud vastassuunalise RNA teraapia väljaarendamiseni, mis on suunatud DNMT-dele, lagundades nende mRNA-d ja seega takistades nende transleerimist. Kuigi on veel ebaselge, kas ainuüksi DNMT1 ülekande takistamine on piisavalt efektiivne, et reaktiveerida tuumori supressorgeene, mis on DNA metülatsioonil vaigistatud. Märkimisväärseid edusamme DNA metülatsiooni mehhanismidest arusaamiseks on tehtud taimmudelis Arabidopsis thaliana. DNA metülatsioon taimedes erineb imetajates toimuvast: kui imetaja rakkudes esineb DNA metülatsioon peamiselt tsütosiini nukleotiidi CpG juures, siis taimedes on võimalik tsütosiini metüleerida CpG, CpHpG ja CpHpH nukleotiidide juures, kus H esindab ükskõik millist nukleotiidi peale guaniini. Paljudes seentes on tsütosiini metülatsiooni tase väga madal (0,1–0,5%), ent samas on seeni, mille genoomist on metüleeritud lausa 5%. See näitaja varieerub nii eri liikide kui ka sama liigi isolaatide vahel. Samuti on leitud tõendeid, et seentel võib DNA metülatsioon olla seotud keskkonnaspetsiifilise geeniekspressiooniga. Adeniini või tsütosiini metülatsioon on paljudes bakterites osa restriktsiooni modifikatsiooni süsteemist, kus spetsiifilised DNA järjestused metüleeritakse perioodiliselt kogu genoomis. Metülaas on ensüüm, mis tunneb ära spetsiifilise järjestuse ning metüleerib ühe alustest kas konkreetse järjestuse sees või selle läheduses. Rakku sattunud võõras DNA (mis pole sel viisil metüleeritud) lagundatakse järjestus-spetsiifiliste restriktsiooniensüümide poolt ning lõhustatakse. Bakteri enda genoomi DNA-d (cDNA-d) need ensüümid ära ei tunne. Esialgse DNA metüleerimine töötab mõnes mõttes kui primitiivne immuunsüsteem, mis võimaldab bakteril end kaitsta mõne bakteriofaagi infektsiooni eest. Iqbal, K.; Jin, S. -G.; Pfeifer, G. P.; Szabo, P. E. (2011). "Reprogramming of the paternal genome upon fertilization involves genome-wide oxidation of 5-methylcytosine". Proceedings of the National Academy of Sciences 108 (9): 3642–3647. doi:10.1073/pnas.1014033108. PMC 3048122. PMID 21321204 Wossidlo, M.; Nakamura, T.; Lepikhov, K.; Marques, C. J.; Zakhartchenko, V.; Boiani, M.; Arand, J.; Nakano, T. et al. (2011). "5-Hydroxymethylcytosine in the mammalian zygote is linked with epigenetic reprogramming". Nature Communications 2: 241. doi:10.1038/ncomms1240. PMID 21407207 Jaenisch, R.; Bird, A. (2003). "Epigenetic regulation of gene expression: how the genome integrates intrinsic and environmental signals". Nature Genetics 33 Suppl (3s): 245–254. doi:10.1038/ng1089. PMID 12610534 Dodge JE, Ramsahoye BH, Wo ZG, Okano M, Li E (2002). "De novo methylation of MMLV provirus in embryonic stem cells: CpG versus non-CpG methylation". Gene 289 (1–2): 41–48. doi:10.1016/S0378-1119(02)00469-9 Haines TR, Rodenhiser DI, Ainsworth PJ (2001). "Allele-Specific Non-CpG Methylation of the Nf1 Gene during Early Mouse Development". Developmental Biology 240 (2): 585–598. doi:10.1006/dbio.2001.0504. PMID 11784085 Lister R, Pelizzola M, Dowen RH, et al. (October 2009). "Human DNA methylomes at base resolution show widespread epigenomic differences". Nature 462 (7271): 315–22. doi:10.1038/nature08514. PMC 2857523. PMID 19829295 Ehrlich M, Gama Sosa MA, Huang L-H., Midgett RM, Kuo KC, McCune RA, Gehrke C (April 1982). "Amount and distribution of 5-methylcytosine in human DNA from different types of tissues or cells". Nucleic Acids Research 10 (8): 2709–2721. doi:10.1093/nar/10.8.2709. PMC 320645. PMID 7079182 Tucker KL (June 2001). "Methylated cytosine and the brain: a new base for neuroscience". Neuron 30 (3): 649–652. doi:10.1016/S0896-6273(01)00325-7. PMID 11430798 International Human Genome Sequencing Consortium, et al. (February 2001). "Initial sequencing and analysis of the human genome". Nature 409 (6822): 860–921. doi:10.1038/35057062. PMID 11237011 Daura-Oller E, Cabre M, Montero MA, Paternain JL, Romeu A (2009). "Specific gene hypomethylation and cancer: New insights into coding region feature trends". Bioinformation 3 (8): 340–343. doi:10.6026/97320630003340. PMC 2720671. PMID 19707296 Miller C, Sweatt J (2007-03-15). "Covalent modification of DNA regulates memory formation". Neuron 53 (6): 857–869. doi:10.1016/j.neuron.2007.02.022. PMID 17359920 Powell, Devin (2008-12-02). "Memories may be stored on your DNA". New Scientist. Retrieved 2008-12-02. Craig, JM; Wong, NC (editor) (2011). Epigenetics: A Reference Manual. Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-88-2. Goll MG, Kirpekar F, Maggert KA, Yoder JA, Hsieh CL, Zhang X, Golic KG, Jacobsen SE, Bestor TH (January 2006). "Methylation of tRNAAsp by the DNA methyltransferase homolog Dnmt2". Science 311 (5759): 395–398. doi:10.1126/science.1120976. PMID 16424344 Antequera F, Tamame M, Villanueva JR, Santos T (July 1984). "DNA methylation in the fungi". J. Biol. Chem. 259 (13): 8033–8036. PMID 6330093 Binz T, D'Mello N, Horgen PA (1998). "A comparison of DNA methylation levels in selected isolates of higher fungi". Mycologia (Mycological Society of America) 90 (5): 785–790. doi:10.2307/3761319. JSTOR 3761319