Posted inBiologiya

DNK metillanishi

Ko‘rsatilgan molekula bo‘lagi DNKga tegishli. Uning markazida CpG dinukleotidlari tarkibida ikkala zanjirda simmetrik joylashgan ikkita metilsitozin mavjud.

DNK metillanishi — bu DNK molekulasining nukleotid ketma-ketligini o‘zgartirmaydigan modifikatsiyasi bo‘lib, uni epigenetik tarkibiy qism sifatida genomning bir qismi deb qarash mumkin.

DNKning metillanishi jarayonida metil guruhi sitozinga CpG dinukleotidi tarkibida, uning sitozin halqasidagi C5 holatiga birikadi. Operonning promotor sohasidagi metillanish, odatda, tegishli gen (yoki genlar) faoliyatining susayishiga olib keladi. Keyinchalik metillangan sitozin maxsus fermentlar ta’sirida oksidlanishi mumkin va bu oxir-oqibat uning demetillanib, yana sitozinga aylanishiga olib keladi.

DNK metillanishi, asosan, eukariotlarga xos deb hisoblanadi. Odamda genom DNKsining taxminan 1 % qismi metillangan. Voyaga yetgan organizmning somatik hujayralarida DNK metillanishi, odatda, CpG dinukleotidlarida yuz beradi; CpG dinukleotidlaridan tashqaridagi DNK metillanishi embrional ildiz hujayralarida ham kuzatiladi.

Bundan tashqari, CpG dinukleotidlaridan tashqaridagi DNK metillanishi pluripotent ildiz hujayralari epigenomining o‘ziga xos belgisi hisoblanadi. CG bo‘lmagan joylardagi metillanishning kamayishi hujayralarning endodermal hujayra yo‘nalishlariga differensiyalanish qobiliyatining buzilishi bilan bog‘liq.

O‘simliklarda sitozin metillanishi ikkala zanjirda simmetrik tarzda (CpG yoki CpNpG joylarida), shuningdek, ikki zanjirdan faqat bittasida asimmetrik tarzda (CpNpNp joylarida, bu yerda N istalgan nukleotidni bildiradi) sodir bo‘ladi.

Sutemizuvchilarda DNK metillanishi

Sutemizuvchilardagi barcha CpG dinukleotidlarining taxminan 60—70 % qismi metillangan. Metillanmagan CpG dinukleotidlari CpG orolchalarida [ingl.] jamlangan. Bunday orolchalar 5’-boshqaruvchi sohalarda ko‘plab genlarda uchraydi. Turli kasalliklar, masalan, saraton, dastlab DNKning me’yordan tashqari gipometillanishi, keyin esa CpG orolchalarining gen promotorlari sohalarida gipermetillanishi bilan kechadi. Bu transkripsiyaning barqaror bostirilishiga olib keladi. Bunday holatda transkripsiya metillangan CpG dinukleotidlariga bog‘lana oladigan oqsillar vositasida bostiriladi. Bu oqsillar metilsitozinga bog‘lanuvchi oqsillar deb atalib, ular giston deatsetilazasini (HDAC) va xromatinning qayta tuzilishida ishtirok etuvchi boshqa omillarni jalb qiladi. Hosil bo‘lgan kompleks gistonlarni o‘zgartirib, zichlashgan, transkripsiya jihatidan nofaol geteroxromatin tuzilmasini hosil qilishi mumkin. DNK metillanishining xromatin tuzilishiga ta’siri tirik organizmning rivojlanishi va faoliyati uchun katta ahamiyatga ega. Xususan, metilsitozinga bog‘lanuvchi 2-oqsil (MeCP2)ning, masalan, tegishli gendagi mutatsiya tufayli mavjud bo‘lmasligi odamda Rett sindromi rivojlanishiga olib keladi. Gipermetillangan genlar transkripsiyasini bostirishda qatnashadigan metilsitozinga bog‘lanuvchi domenli 2-oqsil (Methyl-CpG binding domain protein 2 — MBD2)ning faolsizlanishi onkologik kasalliklarda aniqlangan.

Odamda DNK metillanishi

Odamda DNK metillanishiga uchta ferment — DNK-metiltransferazalar 1, 3a va 3b (DNMT1, DNMT3a, DNMT3b) javob beradi. DNMT3a va DNMT3b de novo metiltransferazalar bo‘lib, rivojlanishning dastlabki bosqichlarida DNK metillanishini shakllantirishi, shuningdek, hujayralar differensiyalanishi davomida uni o‘zgartirishi taxmin qilinadi. DNKning de novo metillanishi, jumladan, interferensiyalovchi RNKlar ta’sirida, RNKga bog‘liq DNK metillanishi orqali yuzaga kelishi haqidagi faraz mavjud. Bu jarayon evolyutsiya davomida genomning ko‘chma elementlari faolligini bostirish uchun paydo bo‘lgan. DNMT1 — DNKning metillangan holatini saqlab turuvchi DNK-metiltransferaza bo‘lib, komplementar zanjir metillangan joylarda DNKning ikkinchi zanjiriga metil guruhlarini biriktiradi. DNK metillanishini boshqaruvchi DNMT1 ingibitorlari vazifasini poliadenillanmagan uzun kodlamaydigan RNKlar (lncRNA) bajarishi taxmin qilinadi. DNMT3L oqsili boshqa DNMT oqsillariga gomologik, biroq katalitik faollikka ega emas. Buning o‘rniga DNMT3L de novo metiltransferazalarni qo‘llab-quvvatlab, bu fermentlarning DNKga bog‘lanishiga yordam beradi va ularning faolligini oshiradi.

Xavfli o‘smalar rivojlanishining muhim bosqichlari DNKning dastlabki gipometillanishi va undan keyin o‘sma o‘sishini bostiruvchi genlarning faolsizlanishidir. Agar genning faolsizlanishiga uning promotor sohasi metillanishi sabab bo‘lgan bo‘lsa, DNMTni ingibitsiya qilish orqali gen ekspressiyasini qayta tiklash bo‘yicha tajribalar o‘tkazilgan. 5-aza-2'-dezoksisitidin (detsitabin) — nukleozid analogi bo‘lib, DNMT metiltransferazalarini ingibitsiya qiladi. Preparatning ta’sir mexanizmi fermentning DNK bilan kompleks tarkibida kovalent bog‘lanishiga asoslanadi. Natijada ferment o‘z vazifasini bajara olmaydi va metiltransferaza parchalanadi. Biroq detsitabin faol bo‘lishi uchun hujayraning genomiga kirishi kerak. Agar hujayra nobud bo‘lmay, bo‘linishda davom etsa, bu qiz hujayralarda mutatsiyalarni keltirib chiqarishi mumkin. Bundan tashqari, detsitabin suyak iligi uchun toksik bo‘lgani sababli, uning davolashdagi qo‘llanish sohasi cheklangan. Ushbu cheklovlar DNMTning mRNKsini parchalab, shu orqali translyatsiyani to‘suvchi «antisens» RNKlardan foydalanishga asoslangan davolash usullarini faol izlashga olib keldi. Ekstrakodlovchi RNK (extracoding RNA) deb ataladigan RNKning kashf etilishi muayyan genni tanlab demetillash va shu yo‘l bilan uning ekspressiyasini o‘zgartirish imkonini berdi. Bu RNK DNMT1 bilan bog‘lanib, uning aniq bir genni metillash qobiliyatini to‘sishi mumkin. Shunga qaramay, transkripsiyasi DNK metillanishi orqali susaytiriladigan o‘sma bostiruvchi genlar ekspressiyasini oshirish uchun DNMT1 faoliyatini ingibitsiya qilishning o‘zi yetarlimi, degan savol hanuz ochiq qolmoqda.

Odamlarning individual transkriptomlari va metillomlari tahlili shuni ko‘rsatdiki, metillanish bilan gen ekspressiyasi o‘rtasidagi korrelyatsiya genlarning 20 % dan kamrog‘ida kuzatiladi.

Yang va hammualliflar inson hujayralaridagi muayyan CpG joylarini tanlab, maqsadli demetillashning samarali usulini ishlab chiqdilar. Bunda molekulyar muhandislik orqali birlashtirilgan, DNKga tanlab bog‘lanuvchi TALE (ingl. transkripsiya faollashtiruvchisiga o‘xshash effektor (transcription activator-like effector)) domeni va TET1 (ingl. tet-metilsitozin dioksigenaza 1) gidroksilazasining katalitik domenidan foydalanildi. Mazkur gidroksilaza 5-metilsitozinning 5-gidroksimetilsitozinga aylanishini katalizlaydi. TALE-TET1 birlashtirilgan molekulasidan foydalanib, tadqiqotchilar promotorning ma’lum CpG joylarini demetillash tegishli inson genlari ekspressiyasini sezilarli oshirishi mumkinligini ko‘rsatdilar. Faolsizlantirilgan dCas9 (DNKni kesa olmaydigan) molekulasi asosida ferment yaratish tanlab ta’sir qiluvchi demetilazalar ishlab chiqilishini ancha soddalashtiradi. Bu yo‘naltiruvchi RNK yordamida demetilazani faollashtirilishi kerak bo‘lgan gipermetillangan gen promotorlariga yetkazishga imkon beradi.

In vitro sharoitida hujayralar DNKsining gipometillanishiga olib keluvchi muhit ishlab chiqilgan. 2i deb ataluvchi bu muhit tarkibida ikkita kichik molekulali ingibitor bor. Ularning biri ERK1 / 2 signal yo‘lini, ikkinchisi esa Gsk3β [ingl.] faoliyatini ingibitsiya qiladi. Bu muhit hujayralarni qayta dasturlash va ularning pluripotent holatini saqlab turish uchun keng qo‘llanadi.

Qarish jarayonida DNK metillanishining o‘zgarishi

1970-yillardayoq Vanyushin va Moskva davlat universiteti biologiya fakultetining bir qator boshqa xodimlari tadqiqotlarida hayvonlar va odam individual rivojlanishi hamda qarish bosqichlarining DNK metillanishi kabi fermentativ modifikatsiyadagi o‘zgarishlar bilan o‘zaro bog‘liqligi aniqlangan. «DNK metillanishi — organizmning genetik funksiyalarini epigenetik boshqarish» nomli ilmiy ishlar turkumi uchun Vanyushin A. N. Belozyorskiy nomidagi mukofot bilan taqdirlangan.

Hozirgi vaqtda genom DNKsining metillanish manzarasi yoshga qarab o‘zgarishi yaxshi ma’lum. «epigenetik siljish» deb ataladigan bu jarayon xronologik yosh bilan chambarchas bog‘liq. Shu bilan birga, ayrim mualliflarning fikricha, u hujayralarning replikativ qarishi belgisi emas, chunki u «qarimaydigan» ildiz hujayralarida ham uchraydi. Hujayralarning replikativ qarishi uchun genomning muayyan joylaridagi DNK metillanishi o‘zgarishlariga asoslangan biroz boshqacha epigenetik biomarkerlar topilgan. ITGA2B, ASPA va PDE4C genlari metillanishiga asoslanib epigenetik qarishni aniqlash odamning biologik yoshini xronologik yoshdan o‘rtacha mutlaq farqi 5 yildan oshmaydigan aniqlikda baholash imkonini beradi. Bu aniqlik yoshni bashoratlashda foydalaniladigan telomeralar uzunligiga asoslangan usullarnikidan yuqori.

Odam organizmi qarishi jarayonida qon yaratuvchi ildiz hujayralarining (QIH) funksional salohiyati sezilarli kamayadi. Bu keksalarda qon hosil bo‘lishi bilan bog‘liq patologik jarayonlarning rivojlanishiga yordam beradi. Yosh o‘tishi bilan bunday hujayralar sonining va ularning proliferatsiya qobiliyatining kamayishi telomeralar uzunligidan ko‘ra, Polycomb oqsillarining 2-repressor kompleksi tomonidan boshqariladigan genlar DNKsining gipermetillanishiga ko‘proq bog‘liq ekani aniqlangan.

Xitoylik tadqiqotchilar fikricha, DNK metillanishi yoshga bog‘liq kasalliklarga moyillikni belgilovchi genlarni boshqarish orqali odamning sog‘lom qarishiga yordam berishi mumkin. Masalan, Altsgeymer kasalligida kaspaza 3 CASP3[ingl.]* geni faol ekspressiyalanadi. Bu gen kodlaydigan ferment beta-amiloid 4A oqsilining prekursorini parchalashda qatnashib, neyronlarning nobud bo‘lishiga olib keladi. Uzoq umr ko‘ruvchilarda esa CASP3 geni transkripsiya boshlanish joyiga yaqin hududning gipermetillanishi orqali bloklangan. Yana bir misol: interleykin IL1R2[ingl.] retseptori genining ekspressiyasi aterosklerozda past bo‘ladi, uzoq umr ko‘ruvchilarda esa uning transkripsiya boshlanish joyiga yaqin gipometillangan hudud tufayli gen faolligi kamaymagan bo‘ladi.

Metillanishning onkogenezdagi roli

Ma’lum bo‘lishicha, epigenetik yosh saratonga chalinish ehtimoliga ta’sir qiladi. Qon DNKsining metillanish ma’lumotlariga qarab epigenetik yoshni hisoblash algoritmi ishlab chiqilgan. Algoritm odamni o‘rab turgan muhit, jismoniy mashqlar va ovqatlanish tartibiga qarab o‘zgarishi mumkin bo‘lgan DNK metillanishining 71 ta markeriga asoslangan. Ushbu algoritm yordamida 15 yil davomida to‘plangan qon namunalarini o‘rganish shuni ko‘rsatdiki, epigenetik yoshi xronologik yoshidan taxminan bir yil katta bo‘lgan kishilarda keyingi uch yil ichida saratonga chalinish xavfi 6 % yuqori; epigenetik yoshi xronologik yoshidan taxminan 2,2 yil katta bo‘lganlarda esa keyingi besh yil ichida saratondan vafot etish xavfi 17 % yuqori.

Onkologik kasalliklarga moyil odamlardagi genotip ma’lumotlarini ularning DNK metillanish profili bilan taqqoslash irsiy saraton holatlarining taxminan 20 % ida ayrim lokuslarning metillanish darajasi bilan saraton xavfiga bog‘liq genlarning polimorfizmlari o‘rtasida aloqadorlik mavjudligini taxmin qilishga imkon berdi. Xususan, CpG metillanishi darajasi bilan MYC, TERT va TP63 kabi muhim saraton genlari ekspressiyasi o‘rtasida juda yuqori statistik ahamiyatga ega korrelyatsiya kuzatilgan.

Barcha qattiq to‘qimali (solid) o‘smalarning qariyb uchdan biri KRAS genidagi yoki KRAS bilan bog‘liq signal yo‘llaridagi mutatsiyalar bilan aloqador. KRAS genlarni metillanish orqali faolsizlantirishga ko‘maklashuvchi TET1 fermentini o‘chirib qo‘yadi. TET1 sutemizuvchilarda faol, temir va alfa-ketoglutaratga bog‘liq DNK demetillanishining dastlabki bosqichini — 5-metilsitozin (5-MC)ning 5-gidroksimetilsitozin (5-HMC)ga aylanishini 5-MC oksidlanishi orqali katalizlaydi. Ushbu mutant hujayralarga TET1 qo‘shish o‘sma o‘sishini bostiruvchi genlarni faollashtiradi. Ma’lum bo‘lishicha, bu g‘ayritabiiy proliferatsiyani kamaytirish uchun yetarli. Shu bilan birga, KRAS ishtirokisiz ham TET1ni faolsizlantirishning o‘zi ushbu hujayralarni yana xavfli o‘sma hujayralariga aylantirish uchun yetarli.

Onkogenezning muhim biomarkerlaridan biri ZNF154 geni promotoridagi CpG orolchalarining gipermetillanishidir (rux-barmoqsimon oqsil (zinc-finger protein) 154). ZNF154 gipermetillanishi o‘sma hujayralarining juda katta qismida kuzatilgan, sog‘lom hujayralarda esa aniqlanmagan. ZNF154 genining organizmdagi vazifasi hozircha noma’lum. Odatda, bir vaqtning o‘zida Casp8 (kaspaza-8) va VHL (Gippel–Lindau o‘sma supressori) bilan bog‘liq genomning ikkita sohasida gipometillanish kuzatiladi.

Hasharotlarda DNK metillanishi

Genetiklarning eng ko‘p o‘rganadigan obyekti — Drosophila melanogaster turida DNK metillanish darajasi juda past. Bu uni bisulfit sekvenirlash usuli bilan o‘rganishni qiyinlashtirgan. Takayama va hammualliflar o‘ta sezgir usul ishlab chiqib, pashsha genomidagi DNK ketma-ketliklarining metillanish profili odam, boshqa hayvonlar yoki o‘simliklar genomining metillanish profilidan keskin farq qilishini aniqladilar. Drozofila genomida metillanish guaninga kambag‘al, CA va CT ketma-ketliklariga boy bo‘lgan muayyan qisqa asoslar ketma-ketliklarida (5 juft nukleotiddan iborat) jamlangan. Bundan tashqari, u DNMT2 faolligiga bog‘liq emasligi ma’lum bo‘ldi. Drozofilada DNK metillanishini chuqurroq o‘rganish epigenomning yoshga bog‘liq o‘zgarishlarini aniqlashga yordam beradi.

O‘simliklarda DNK metillanishi

So‘nggi vaqtlarda o‘simliklarda, ayniqsa, Arabidopsis thaliana da DNK metillanishini tushunishda katta yutuqlarga erishildi. A. thaliana o‘simligining asosiy DNK-metiltransferazalari Met1, Cmt3 va Drm2 bo‘lib, ular aminokislotalar ketma-ketligi darajasida yuqorida tavsiflangan sutemizuvchilar DNK-metiltransferazalariga o‘xshaydi. Drm2, taxminlarga ko‘ra, DNKning de novo metillanishida ham, rivojlanishning keyingi bosqichlarida metillanishni saqlab turishda ham ishtirok etadi. Cmt3 va Met1, asosan, DNK metillanishini saqlab turish vazifasini bajaradi. O‘simliklarda DNKning boshqa metiltransferazalari ham mavjud, biroq ularning vazifasi hozircha aniqlanmagan (qarang: ). DNK metillanishida metiltransferazalarning o‘ziga xosligi RNK yordamida boshqariladi, deb hisoblanadi. Muayyan RNK transkriptlari matritsa — genom DNKsining aniq qismlaridan transkripsiyalanadi. Ushbu RNK transkriptlari ikki zanjirli RNK molekulalarini hosil qilishi mumkin. Ikki zanjirli RNKlar kichik interferensiyalovchi RNKlar (siRNA) yoki mikroRNKlar (miRNA) bilan bog‘liq boshqaruv signal yo‘llari orqali DNK metiltransferazalarining genomdagi muayyan nukleotid ketma-ketliklariga yo‘naltirilishini belgilaydi.

Adabiyotlar

Havolalar