2.5 Метилирование генома как динамический процесс

Представленная картина метилирования носит описательный характер и не объясняет, какие силы определяют сложную мозаику метилирования геномной ДНК и, в частности, что защищает CpG-островки от экспансии этого процесса (известно, что транскрибируемые гены и их промоторы находятся зачастую в окружении интенсивно метилированных последовательностей, таких как повторы Alu). В том же ряду стоит факт существования лишь частично метилированных сайтов CpG (неясно, что препятствует их полному метилированию). Весьма привлекательной с этой точки зрения представляется гипотеза, согласно которой стабильный профиль метилирования генома - иллюзия. На самом деле это лишь внешнее проявление динамического равновесия постоянно действующих и противостоящих друг другу процессов экспансии метилирования и защиты от неё. Гипотеза возникла как результат анализа метилирования 5'- последовательностей гена Aprt .

2.6 Метилирование днк: влияние на структуру хроматина

Хроматин существует в двух основных состояних - эухроматина (деконденсирован, потенциально активен, реплицируется в ранней фазе S клеточного цикла) и гетерохроматина (конденсирован, неактивен, реплицируется в поздней S-фазе).

Активация генов, входящих в состав неактивного хроматина, требует изменения структуры хроматина и деметилирования ДНК. Обнаружены белковые комплексы, способные реактивировать неактивный хроматин. Деметилирование может происходить пассивно через подавление функционирования поддерживающих Мтаз . В этом случае дочерние цепи ДНК, образующиеся в процессе репликации, остаются неметилированными, что приводит к полному деметилированию ДНК после двух раундов репликации. Активное деметилирование ДНК происходит с участием специфических ферментов - деметилаз.

Гены, входящие в состав неактивного хроматина, в большинстве своем недоступны действию факторов транскрипции. Формирование неактивного хроматина через метилирование специфических последовательностей приводит к уменьшению линейных размеров генома и числа регуляторных последовательностей, доступных факторам транскрипции. Следствием этого является снижение неспецифических взаимодействий регуляторных белков с соответствующими последовательностями генов, что, в свою очередь, уменьшает уровень информационного шума в генетической системе, который может появляться в результате неконтролируемой транскрипции. В этой связи высказывается предположение о важной роли не только генетических, но и видоспецифических эпигенетических изменений в эволюции высших эукариот.

Факторами, в значительной степени определяющими структуру и функции хроматина, являются модификации его компонентов - ацетилирование гистонов (ведет к деконденсации и активации) и метилирование ДНК (ведет, напротив, к конденсации и инактивации). Таким образом, характерными чертами активного хроматина являются гиперацетилирование гистонов и отсутствие 5-метилцитозина, а неактивного - гиперметилирование цитозина и деацетилирование гистонов. Связь между репрессорным влиянием метилирования ДНК на транскрипцию и деацетилированием гистонов будет рассмотрена ниже.

Действительно, наследуемый характер паттернов метилирования геномной ДНК способствует стабилизации и распространению в популяциях специфических структур хроматина, а изменение паттернов через эпигенетические мутации может быть одним из путей повышения пластичности генетической информации и ее разнообразия, что может служить материалом для естественного отбора.

Примером подавления экспрессии генов путем формирования хроматина, структурированного специфическим образом, является инактивация одной из X-хромосом самок млекопитающих.

Большинство генов неактивной X-хромосомы прекращает свою экспрессию в раннем эмбриогенезе независимо от наличия в ней CpG-последовательностей. При этом метилирование ДНК и ацетилирование гистона H4 усиливают и стабилизируют репрессированное состояние неактивной X-хромосомы.

Регуляторные белки, например, вирусный белок MDBP1 и белки человека MeCP1/2, а также комплекс белков MDBP2 и гистона H1 . Если белок MeCP2 для своего взаимодействия требует присутствия в соответствующем участке ДНК только одного метилированного CpG, а белок MeCP1 связывается с ДНК лишь при наличии нескольких метилированных динуклеотидов. С использованием специфических антител было установлено, что белок MeCP2 локализован преимущественно в G-полосах гетерохроматина метафазных хромосом. Гомозиготные делеции в гене этого белка летальны для мышей, что указывает на важную роль MeCP2 в эмбриогенезе животных. Комплекс MDBP2-гистон H1 может связываться с участком ДНК, содержащим единственный метилированный CpG, и ингибировать транскрипцию. При этом белково-нуклеиновое взаимодействие усиливается после фосфорилирования белков.