При метилировании ДНК появляется любопытный феномен: один и тот же физический субстрат — тот же самый текст — используется для предоставления двойной информации. Это как смотреть фильм с субтитрами. С одной стороны, есть сообщение, закодированное в текст, привычным нам языком букв, и с другой — есть метилирование, которое расставляет акценты на определенных словах в последовательностях CpG, чтобы транслировать второе сообщение, до этого неизвестное.
CpG-островки
Последовательность ДНК млекопитающих показывает, что комбинация CpG не так уж и распространена в их геноме. Цитозин и гуанин по отдельности появляются довольно часто, но комбинации CpG единичны. С другой стороны, анализ генома также показывает нам, что распределение динуклеотидов CpG неоднородно, так как хотя глобально эти CpG последовательности довольно частотны, все же появляются короткие участки, где их плотность повышена. Эти участки называются CpG-островками именно потому, что на этих участках длиной от 500 до 2000 оснований ДНК частотность CpG очень высока. Однако самое интересное заключается в том, что эти CpG-островки не связаны ни с одним из перечисленных факторов, но, как правило, они совпадают с регуляторными участками генов.
Напомним, что именно регуляторные участки генов, в отличие от кодирующих участков (которые содержат информацию для синтеза белков), контролируют, где и как активируется этот ген. А так как эти регуляторные участки многих генов богаты CpG, это равносильно тому, как если бы они были готовы стать ударными с помощью метильных групп.
Если анализировать состояние метилирования цитозина в CpG млекопитающих, можно обнаружить интересный феномен: обычно последовательности CpG, которые не находятся внутри CpG-островка, то есть CpG, которые появляются единично в последовательности, метилированы. Эти CpG появляются в виде 5-метилцитозина. Однако CpG, которые находятся внутри CpG-островков, как правило, не метилированы. Важно помнить о том, что цитозин, метилированный или нет, не нарушает порядок последовательности.
Тогда на кого вообще все это влияет?
Транскрипционная функция
С тех пор как было открыто метилирование ДНК, одним из феноменов, с которыми оно оказалось связано, была транскрипционная активность, то есть процесс «копирования» с целью получения РНК.
Остановимся на этом более подробно: ДНК содержит инструкции в генах для формирования белков, но эта информация «копируется», или транскрибируется, в другую молекулу — РНК, и она уже в конечном счете считывается, чтобы белок мог сформироваться. Так вот, было обнаружено, что когда последовательность метилируется, транскрипция репрессируется (другими словами, ген «выключается»).
Что это значит? Что метилирование CpG-островков действует как знак запрета транскрипции гена, который был метилирован.
И какой самый важный вывод мы можем сделать на основе этого последнего утверждения?
Что ДНК — наследуемый материал, обладает двойным функционалом: с одной стороны, содержит в своей последовательности инструкции для формирования белков, копируясь сначала в РНК, с другой — в условиях метилирования приобретает информацию с целью инициировать или задержать механизм формирования белков.
Но кто считывает метилирование ДНК?
В последние годы в лабораториях интенсивно изучается, какие именно факторы ядра интерпретируют данные, закодированные в конкретном профиле метилирования. А именно, ученые задались вопросом, существуют ли системы, направленные на чтение информации, закодированной в определенном профиле метилирования, схожие с системой считывания информации, содержащейся в последовательности ДНК, и ее трансляции в белки через генетический код.
Сейчас мы это проверим.
Генетический код — соответствие, которое связывает различные комбинации из трех азотистых оснований с соответствующими аминокислотами. Например, когда в мРНК появляются три азотистых основания GAG, это служит сигналом для присоединения аминокислоты, называемой глютаминовой кислотой, а когда появляются основания AGA, это означает, что она должна присоединиться к белку, который формируется из аргининовой аминокислоты.
Воздействие метилирования
Открытие того, что метилирование приводит к формированию более компактных и недоступных структур хроматина, пролило свет на изменения, связанные с метилированием ДНК: структура хроматина становится более компактной, когда ДНК, которая его составляет, метилирована. С другой стороны, ученые пришли к еще одному выводу, который вполне сочетается с предыдущим, о связи метилирования ДНК с уменьшением транскрипционной активности.
И каковы же последствия компактизации хроматина?
Из-за метилирования регуляторные участки генов становятся менее доступными транскрипционным механизмам, вследствие чего снижается транскрипционная активность, то есть экспрессия генов.
После всех этих открытий начало создаваться впечатление, что модель работает, и казалось, что наука встала на путь решения проблемы, которая занимала нас в предыдущем разделе. Загадка, кто именно отвечает за чтение метилирования ДНК, казалась почти решенной… Но для того чтобы пазл сошелся, все еще не хватало одной важной детали: какое отношение между метилированием ДНК и компактизацией хроматина?
После изнуряющих исследований что-то начало проясняться: существуют белки, или ядерные факторы, которые обладают способностью распознавать метилированную или неметилированную ДНК и присоединяться к ней в зависимости от ее состояния. Эти факторы,
с помощью какого-то механизма, функционирование которого еще только предстоит изучить, могут сформировать измененную структуру хроматина, не дающую доступа транскрипционным механизмам.
Поиск этой модели стимулировал исследования в погоне за открытием факторов, способных различать метилированную и неметилированную ДНК.
Белки MeCPl и МеСР2
Исследования продолжались, и в начале 1990-х годов группа ученых из Эдинбургского университета отделила от клеточного ядра два белка, способных присоединяться к метилированной ДНК.
Эти белки были названы MeCPl и МеСР2, и на протяжении последующих лет была проделана колоссальная работа по их анализу: были задействованы различные учреждения, преимущественно лаборатория Эдинбургского университета (центр клеточной биологии Welcome Trust под руководством профессора Эдриана Берда, с 1999 по 2011 год) и лаборатория Национального института здоровья США под началом Алана Вольфа.
В первую очередь исследовательская группа Берда определила, какая именно часть белка МеСР2 придает ему способность присоединяться к метилированной ДНК. Этот фрагмент состоит еще из четырех белков, идентифицированных немного позднее, и сейчас они известны как MBD1, MBD2, MBD3 и MBD4. Все они, наряду с МеСР2, составляют семейство белков, умеющих связываться с метилированной ДНК. Какое-то время спустя обе упомянутые лаборатории смогли независимо друг от друга доказать, что каждый из этих белков формирует комплексы, то есть создает связи с другими белками, которые модифицируют хроматин.
Что особенно важно, комплекс, к которому относится МеСР2, модифицирует гистоны, добавляя знаки. На самом деле МеСР2 и другие белки из этого семейства действуют как посредники между метилированной ДНК и определяют степень компактизации хроматина.
Значимость открытия этих белков заключалась в установлении связи между метилированием ДНК и модификациями хроматина в момент определения состояния активированности или инактивированности генов. Это стало переломным моментом, потому что объясняло механизм подавления активности генов путем метилирования ДНК. Кроме того, позднее обнаружилось, что МеСР2, вне зависимости от участия в метилировании, оказался чрезвычайно важным белком для здоровья человека, так как его мутация порождает синдром Ретта, вторую (после синдрома Дауна) по частотности причину задержки умственного развитии у женщин.
