Метилирование гистонов — это процесс, при котором метильные группы передаются на аминокислоты белков -гистонов , составляющих нуклеосомы , которые двойная спираль ДНК обвивает с образованием хромосом . Метилирование гистонов может как увеличивать, так и уменьшать транскрипцию генов, в зависимости от того, какие аминокислоты в гистонах метилированы и сколько метильных групп присоединено. События метилирования, которые ослабляют химическое притяжение между хвостами гистонов и ДНК, усиливают транскрипцию, поскольку они позволяют ДНК раскручиваться от нуклеосом, чтобы белки транскрипционных факторов и РНК-полимераза могли получить доступ к ДНК. Этот процесс имеет решающее значение для регуляции экспрессии генов, что позволяет различным клеткам экспрессировать разные гены.
Метилирование гистонов как механизм модификации структуры хроматина связано со стимуляцией нервных путей, которые, как известно, важны для формирования долговременной памяти и обучения. [1] Метилирование гистонов имеет решающее значение практически для всех фаз эмбрионального развития животных . [2]
Модели на животных показали, что метилирование и другие механизмы эпигенетической регуляции связаны с состояниями старения, нейродегенеративными заболеваниями и умственной отсталостью [1] ( синдром Рубинштейна-Тайби , Х-сцепленная умственная отсталость ). [3] Неправильная регуляция H3K4, H3K27 и H4K20 связана с раком . [4] Эта модификация изменяет свойства нуклеосомы и влияет на ее взаимодействие с другими белками, особенно в отношении процессов транскрипции генов.
Фундаментальная единица хроматина , называемая нуклеосомой , содержит ДНК, намотанную на белковый октамер . Этот октамер состоит из двух копий каждого из четырех белков-гистонов: H2A , H2B , H3 и H4 . Каждый из этих белков имеет удлиненный хвост, и эти хвосты являются мишенями модификации нуклеосом путем метилирования. Активация или инактивация ДНК во многом зависит от конкретного метилированного хвостового остатка и степени его метилирования. Гистоны могут быть метилированы только по остаткам лизина (K) и аргинина (R), но чаще всего метилирование наблюдается по остаткам лизина хвостов гистонов H3 и H4. [7] Хвостовой конец, наиболее удаленный от ядра нуклеосомы, является N-концевым (остатки нумеруются, начиная с этого конца). Общие сайты метилирования, связанные с активацией генов, включают H3K4, H3K48 и H3K79. Общие сайты инактивации генов включают H3K9 и H3K27. [8] Исследования этих сайтов показали, что метилирование хвостов гистонов по различным остаткам служит маркерами для привлечения различных белков или белковых комплексов, которые служат для регулирования активации или инактивации хроматина.
Остатки лизина и аргинина содержат аминогруппы, которые придают основные и гидрофобные характеристики. Лизин может быть моно-, ди- или триметилирован с метильной группой, замещающей каждый водород в его группе NH3+. Имея свободные группы NH2 и NH2+, аргинин может быть моно- или диметилирован. Это диметилирование может происходить асимметрично по группе NH2 или симметрично с одним метилированием по каждой группе. [9] Каждое добавление метильной группы к каждому остатку требует определенного набора белковых ферментов с различными субстратами и кофакторами. Как правило, для метилирования остатка аргинина требуется комплекс, включающий белок аргининметилтрансферазу (PRMT), тогда как для лизина требуется специфическая гистоновая метилтрансфераза (HMT), обычно содержащая эволюционно консервативный домен SET. [10]
Разная степень метилирования остатка может придавать разные функции, как показано на примере метилирования обычно изучаемого остатка H4K20. Монометилированный H4K20 ( H4K20me 1) участвует в уплотнении хроматина и, следовательно, в репрессии транскрипции. Однако H4K20me2 жизненно важен для восстановления поврежденной ДНК. При диметилировании этот остаток обеспечивает платформу для связывания белка 53BP1, участвующего в восстановлении двухцепочечных разрывов ДНК путем негомологичного соединения концов. Наблюдается концентрация H4K20me3 в гетерохроматине, и снижение этого триметилирования наблюдается при прогрессировании рака. Следовательно, H4K20me3 выполняет дополнительную роль в репрессии хроматина. [10] Восстановление двухцепочечных разрывов ДНК в хроматине также происходит путем гомологичной рекомбинации и также включает метилирование гистонов ( H3K9me3 ), чтобы облегчить доступ ферментов репарации к местам повреждения. [11]
Геном плотно конденсирован в хроматин, который необходимо ослабить, чтобы произошла транскрипция . Чтобы остановить транскрипцию гена, ДНК должна быть намотана туже. Это можно сделать путем модификации гистонов в определенных сайтах путем метилирования. Гистоновые метилтрансферазы представляют собой ферменты, которые переносят метильные группы от S-аденозилметионина (SAM) на остатки лизина или аргинина гистонов H3 и H4. Есть случаи, когда основные глобулярные домены гистонов также метилируются.
Гистоновые метилтрансферазы специфичны либо к лизину, либо к аргинину. Лизин-специфичные трансферазы далее подразделяются на наличие у них домена SET или домена без SET. Эти домены точно определяют, как фермент катализирует перенос метила от SAM к белку-переносчику и далее к остатку гистона. [12] Метилтрансферазы могут добавлять 1-3 метила к целевым остаткам.
Эти метилы, добавляемые к гистонам, регулируют транскрипцию, блокируя или поощряя доступ ДНК к факторам транскрипции. Таким образом, целостность генома и эпигенетическое наследование генов находятся под контролем действия гистоновых метилтрансфераз. Метилирование гистонов играет ключевую роль в различении целостности генома и генов, экспрессируемых клетками, что придает клеткам их идентичность.
Метилированные гистоны могут как подавлять, так и активировать транскрипцию. [12] Например, H3K4me2, H3K4me3 и H3K79me3 обычно связаны с транскрипционной активностью, тогда как H3K9me2 , H3K9me3 , H3K27me2, H3K27me3 и H4K20me3 связаны с репрессией транскрипции. [13]
Модификации гистона оказывают влияние на гены, которые экспрессируются в клетке, и это тот случай, когда метилтрансферазы добавляют к остаткам гистонов метилы. [14] Метилирование гистонов играет важную роль в сборке гетерохроматинового механизма и поддержании границ между генами, которые транскрибируются и не транскрибируются. Эти изменения передаются потомству и могут зависеть от окружающей среды, которой подвергаются клетки. Эпигенетические изменения обратимы, что означает, что они могут быть мишенью для терапии.
Активность гистон-метилтрансфераз компенсируется активностью гистон-деметилаз. Это позволяет включать или выключать транскрипцию путем отмены ранее существовавших модификаций. Необходимо жестко регулировать активность как гистонметилтрансфераз, так и гистондеметилаз. Неправильная регуляция любого из них может привести к экспрессии генов, что приводит к повышенной восприимчивости к болезням. Многие виды рака возникают из-за неадекватных эпигенетических эффектов неправильной регуляции метилирования. [15] Однако, поскольку эти процессы иногда обратимы, существует интерес к использованию их активности в сочетании с противораковой терапией. [15]
В женских организмах сперматозоид, содержащий Х-хромосому , оплодотворяет яйцеклетку, давая эмбриону две копии Х-хромосомы. Женщинам, однако, изначально не требуются обе копии Х-хромосомы, поскольку это только удвоит количество транскрибируемых белковых продуктов, как показывает гипотеза дозовой компенсации. Отцовская Х-хромосома быстро инактивируется в течение первых нескольких делений. [16] Эта неактивная Х-хромосома (Xi) упакована в невероятно плотную форму хроматина, называемую гетерохроматином . [17] Эта упаковка происходит из-за метилирования различных остатков лизина, которые помогают формировать разные гистоны. У человека инактивация X представляет собой случайный процесс, опосредованный некодирующей РНК XIST. [18]
Хотя метилирование остатков лизина происходит на многих различных гистонах, наиболее характерным для Xi является девятый лизин третьего гистона (H3K9). Хотя однократное метилирование этой области позволяет связанным генам оставаться транскрипционно активными, [19] в гетерохроматине этот остаток лизина часто метилируется дважды или трижды, H3K9me2 или H3K9me3 соответственно, чтобы гарантировать неактивность связанной ДНК. Более поздние исследования показали, что H3K27me3 и H4K20me1 также часто встречаются у ранних эмбрионов. Другие метки метилирования, связанные с транскрипционно активными областями ДНК, H3K4me2 и H3K4me3, отсутствуют в Xi-хромосоме вместе со многими метками ацетилирования. Хотя было известно, что определенные метки метилирования гистонов Xi оставались относительно постоянными между видами, недавно было обнаружено, что разные организмы и даже разные клетки внутри одного организма могут иметь разные метки для инактивации Xi. [20] Посредством метилирования гистонов происходит генетический импринтинг , так что один и тот же гомолог X остается инактивированным посредством репликации хромосом и делений клеток.
В связи с тем, что метилирование гистонов регулирует большую часть транскрибируемых генов, даже небольшие изменения в характере метилирования могут иметь тяжелые последствия для организма. Мутации, которые происходят, чтобы увеличить или уменьшить метилирование, имеют большие изменения в регуляции генов, в то время как мутации таких ферментов, как метилтрансфераза и деметилтрансфераза, могут полностью изменить то, какие белки транскрибируются в данной клетке. Чрезмерное метилирование хромосомы может привести к инактивации определенных генов, необходимых для нормального функционирования клеток. В определенном штамме дрожжей Saccharomyces cerevisiae мутация, вызывающая метилирование трех остатков лизина в третьем гистоне, H3K4, H3K36 и H3K79, вызывает задержку митотического клеточного цикла, поскольку многие гены, необходимые для этого прогрессирования, инактивируются. Эта крайняя мутация приводит к гибели организма. Было обнаружено, что удаление генов, которые в конечном итоге позволят производить гистон-метилтрансферазу, позволяет этому организму жить, поскольку его остатки лизина не метилируются. [21]
В последние годы внимание исследователей привлекло то, что многие виды рака вызываются в основном эпигенетическими факторами. Рак может быть вызван различными способами из-за дифференциального метилирования гистонов. С момента открытия онкогенов , а также генов-супрессоров опухолей стало известно, что главный фактор, вызывающий и подавляющий рак, находится внутри нашего собственного генома. Если области вокруг онкогенов станут неметилированными, эти гены, вызывающие рак, могут транскрибироваться с угрожающей скоростью. Противоположностью этому является метилирование генов-супрессоров опухолей. В тех случаях, когда области вокруг этих генов были сильно метилированы, ген-супрессор опухоли не был активен и, следовательно, вероятность возникновения рака была выше. Эти изменения в характере метилирования часто происходят из-за мутаций метилтрансферазы и деметилтрансферазы. [22] Другие типы мутаций в белках, таких как изоцитратдегидрогеназа 1 (IDH1) и изоцитратдегидрогеназа 2 (IDH2), могут вызывать инактивацию гистондеметилтрансферазы, что, в свою очередь, может привести к различным видам рака, глиомам и лейкозам, в зависимости от того, клетках происходит мутация. [23]
При одноуглеродном метаболизме аминокислоты глицин и серин превращаются посредством фолатного и метионинового циклов в предшественники нуклеотидов и SAM. Многочисленные питательные вещества поддерживают одноуглеродный метаболизм, включая глюкозу , серин, глицин и треонин . Высокие уровни донора метила SAM влияют на метилирование гистонов, что может объяснить, как высокие уровни SAM предотвращают злокачественную трансформацию. [24]