Ученые узнали, о чем сигнализируют CpG-светофоры в ДНК

Результаты опубликованы в журнале BMC Genomics.

В рамках химии макромолекула ДНК — полимер, иначе говоря, полинуклеотид, состоящий из повторяющихся блоков, называемых нуклеотидами. Их всего четыре, и они отличаются друг от друга азотистыми основаниями: аденин (A), тимин (T), гуанин (G) и цитозин (С).

Участок последовательности ДНК, где нуклеотиды C и G расположены последовательно один за другим с фосфатом (р) между ними, называется CpG-динуклеотидом.

Гены — это участки ДНК, которые несут в себе основную информацию об РНК и белках, производимых клеткой. В разных типах клеток одного организма последовательность ДНК обычно одинакова, но наборы «работающих» генов, с которых синтезируются РНК в данный момент, существенно отличаются.

Это происходит благодаря регуляторным механизмам, грубо говоря, включателям и выключателям того или иного гена, которые запускают или приостанавливают производство той или иной РНК. Начиная с некоторого уровня сложности организмов в ходе эволюции уже не происходит значительного увеличения числа или разнообразия генов, но становятся сложнее регуляторные программы, обеспечивающие активность нужных генов в нужный момент.

На данный момент хорошо изучено два больших класса механизмов, регулирующих транскрипцию генов (синтез РНК): регуляция с помощью факторов транскрипции и эпигенетическая регуляция. Факторы транскрипции — это регуляторные белки, которые могут связываться с ДНК, распознавая определенные последовательности нуклеотидов в регуляторных районах генов.

Связываясь с ДНК, факторы транскрипции привлекают специальную клеточную машинерию, которая начинает считывать РНК именно с этого гена. Их на данный момент известно множество (у человека — более полутора тысяч), а их комбинации регулируют не только «факт» начала транскрипции, но и ее активность.

Эпигенетическая регуляция — набор механизмов, приводящих к изменению активности гена без изменений в первичной структуре ДНК. Метилирование ДНК — один из этих механизмов. Чаще всего метильная группа (CH₃) присоединяется к цитозину в составе CpG-динуклеотида, выступая в роли сигнальной метки, которая в итоге влияет на то, какие гены будут активны, определяя клеточный тип.

Неудивительно, что метилирование ДНК связано со множеством биологических процессов, нормальных и патологических. Аномальное метилирование ДНК можно встретить при раке, нарушении обмена веществ, сердечно-сосудистых, нейродегенеративных и других заболеваниях.

Метильная группа может присоединяться к цитозину в разных местах ДНК, и действовать она в них будет по-разному. Например, метилирование участков вокруг старта транскрипции чаще всего приводит к подавлению активности гена. Метилирование цитозинов внутри гена, вдали от старта, наоборот, обычно отражает его активацию.

«В своих предыдущих работах мы показали, что метилирование некоторых конкретных CpG-динуклеотидов тесно взаимосвязано с активностью генов. Позиции таких динуклеотидов мы назвали CpG-светофорами. На новом этапе мы выяснили, что метилирование CpG-светофоров более точно показывает активность генов, чем метилирование промотора или тела гена в целом.

А также продемонстрировали, что энхансеры — удаленные от генов участки, регулирующие их активность — обогащены CpG-светофорами», — пояснила Юлия Медведева, ведущий автор исследования, заведующий группой регуляторной транскриптомики и эпигеномики ФИЦ биотехнологии РАН, доцент кафедры биоинформатики и системной биологии МФТИ.

«Мы увидели, что CpG-светофоры сохраняются в процессе эволюции, то есть эти позиции реже мутируют, что свидетельствует об их функциональной значимости», — уточнила Анна Лиознова, аспирантка ФИЦ биотехнологии РАН.

«Ранее мы думали, что основное, что делают CpG-светофоры, — переключают участки связывания факторов транскрипции из активного в пассивное состояние. Удивительно, но оказалось, что этот объяснимый и ранее описанный в литературе механизм глобально встречается крайне редко и может объяснить работу только малой доли светофоров.

Мы предполагаем, что работа светофоров тесно связана с „картой“ активности районов ДНК (то есть „состоянием хроматина“), но конкретные механизмы только предстоит найти и изучить», — добавил Иван Кулаковский, один из авторов исследования, сотрудник ИМБ РАН и Института математических проблем биологии РАН.

CpG-светофоры — это CpG-динуклеотиды, метилирование которых отражает активность расположенного неподалеку гена. Иначе говоря, такие динуклеотиды могут сигнализировать, будет ли синтезироваться РНК с данного гена и впоследствии производиться белок. Изучая CpG-светофоры, ученые надеются понять механизмы генной регуляции.

В практической деятельности, например в клинике, определение статуса метилирования цитозинов надежнее, чем прямое измерение активности генов, поэтому есть надежда, что получится использовать CpG-светофоры в клинической практике в качестве хорошего индикатора генной активности.

Работа была проделана коллективом ученых из ФИЦ биотехнологий РАН, Института общей генетики (ИОГен) имени Вавилова РАН, МФТИ, Института математических проблем биологии РАН, Института молекулярной биологии (ИМБ) имени Энгельгардта РАН, Института проблем передачи информации РАН, МГУ и НИЦ вычислительной биологии Университета науки и техники имени короля Абдаллы (Саудовская Аравия).

Исследование было поддержано Российским фондом фундаментальных исследований и Российским научным фондом.