DNA metülatsioon: epigeneetika, geenide reguleerimine ja mõju

DNA metülatsioon: kuidas epigeneetilised metüleerimismustrid reguleerivad geenide ekspressiooni, mõjutavad arengut, tervist ja pärilikkust.

DNA metülatsioon on üks peamisi viise, kuidas geenide aktiivsust elu jooksul – eriti varajase arengu ajal – reguleeritakse. See on keemiline protsess, mille käigus lisatakse DNA-le metüülrühmi, tavaliselt tsütosiini 5‑positsioonile, moodustades 5‑metüültsütosiini (5mC). Metülatsioon võib pärssida geenide transkriptsiooni nii otseselt (takistades transkriptsioonifaktorite seondumist) kui ka kaudselt, meelitades ligi metüülitud DNA‑siduvaid valgureid, mis muudavad kromatiini struktuuri vähem ligipääsetavaks.

Kuidas metülatsioon toimib ja kus see toimub

Enamasti toimub tsütosiini metülatsioon dinukleotiidis CpG (tsütosiin järgneb guaniinile), eriti äratuntud on CpG‑saared geenipromootorite juures. Loomadel on CpG‑metülatsioon peamine mehhanism, samas kui taimedel võib metüleeruda ka CHG ja CHH kontekstides (kus H = A, T või C).

Metülatsiooni teostavad ensüümid nimelt DNA‑metüültransferaasid (DNMT):

• DNMT3A ja DNMT3B – de novo‑metüleerijad, mis loovad uusi metüleerimismustreid arengu ajal;
• DNMT1 – maintenance‑ensüüm, mis kopeerib metüleerimismärgi DNA replikatsiooni ajal, et säilitada mustrit tütarrakkudes.

Metüleerimise reversiooniradade hulka kuuluvad demetülatsiooni protsessid, mida vahendavad näiteks TET‑ensüümid, muutes 5mC‑i järk‑järgulisteks produktideks (nt 5‑hmC) ja võimaldades metüülmärgi eemaldamist.

Metülatsiooni roll epigeneetikas

Geenide allasurumine on epigeneetika põhialus: epigeneetika uurib geenide aktiivsuse muutusi, mis ei ole põhjustatud muutustest DNA järjestuses. Metülatsioon koos histoonide modifikatsioonide ja kromatiini struktuuriga määrab, millised geenid on väljendunud (geeniekspressioon) ja millised vaigistatud, mõjutades seeläbi rakufunktsiooni ja organismi fenotüüpi (fenotüüpsed mõjud).

Metüülimustrid kujunevad sageli varajases arengus, aga neid saab muuta ka hilisemas elus vastusena keskkonnamõjuritele: toitumine, stress, kemikaalid ja haigused võivad mõjutada metülatsiooni. Kuigi metülatsioonimustrid säilivad tavaliselt kogu raku elutsükli ja rakkude jagunemise kaudu, ei muutu organismi aluseks olev DNA järjestus. Mõned epigeneetilised märgid võivad väljenduda põlvkondadele edasi, kuid transgeneratsiooniline pärandumine on keeruline ja osaliselt vastuoluline teema.

Miks metülatsioon on tähtis

• Arenguprotsessid: määrab rakutüübi‑spetsiifse geeniekspressiooni, X‑kromosoomi inaktivatsiooni emastel ja genoomilise imprintingu (mõned geenid ekspresseeritakse sõltuvalt vanemlikust päritolust).
• Genoomi stabiilsus: laiaulatuslik hypometülatsioon võib suurendada transposoonide aktiivsust ja genoomilist ebastabiilsust.
• Haiguste ennetus ja prognoos: muutused metülatsioonimustrites on seotud paljude haigustega, eriti vähiga.

Mõju tervisele ja haigustele

Vähis leitakse tihti, et kantserogeensed geenid (nt kasvajate supressorgeenid) on ebanormaalselt hüpermüüleeritud nende promootorites, mis viib nende vaigistumiseni, samal ajal kui kogu genoomi hypomütüleerumine võib soodustada kromosomaalset ebastabiilsust. Need muutused võivad olla diagnostilised ja prognostilised märgid ning neid kasutatakse biomarkeritena.

Epigeneetilised ravimeetodid on arendamisel: näiteks on olemas DNMT‑inhibiitorid (nt atsitsitiin, deatsitabiin), mida kasutatakse mõnede vereloomehaiguste ravis, et taastada normaalseid ekspressioonimustreid.

Kuidas metülatsiooni mõõdetakse

Levinumad meetodid hõlmavad:

• Bisulfiit‑konversioon ja järgneva järjestuse analüüs (whole‑genome bisulfite sequencing) – kõrge lahutusvõimega kaardistab metüleerimise kogu genoomis;
• Methylation arrays – sihipärasemad mikrokiibi meetodid;
• MeDIP (methylated DNA immunoprecipitation) ja sarnased immunopreptsipatsioonipõhised tehnikad;
• Spetsiifilised PCR‑põhised ja ligandi‑siduvate meetodite rakendused kliinilistes uuringutes.

Keskkonna ja eluviisi mõju

Toitumine (nt foolhappe ja teiste ühe süsiniku metabolismi vitamiinide tase), stress, toitainete kättesaadavus ja kokkupuude kemikaalidega võivad mõjutada metülatsioonimustreid. See loob seose keskkonnategurite ja geeniekspressiooni vahel, millel on tähtsus arengu, krooniliste haiguste ja vananemise uurimisel.

Kokkuvõte

DNA metülatsioon on dünaamiline ja mitmetahuline epigeneetiline mehhanism, mis reguleerib geenide ekspressiooni ilma DNA baaspaaride järjestust muutmata. See mängib võtmerolli arengu, genoomi stabiilsuse ja haiguste tekkes ning on oluline nii teadusuuringute kui ka kliinilise diagnostika ja ravi seisukohast.

Küsimused ja vastused

K: Mis on DNA metülatsioon?

K: Millised nukleotiidid DNAs võivad olla metüülitud?

K: Mis on epigeneetika?

K: Mis on epigeneetika aluseks?

K: Mis on geeniekspressiooni uurimine?

K: Kui kaua võivad geenide aktiivsuse muutused metüülimise teel kesta?

K: Kas DNA metülatsioon muudab organismi aluseks olevat DNA järjestust?

Otsing