Кіріспе
Метил топтарын қосу арқылы гистондардың өзгеруі. Гистонның метилдеуі – бұл метил топтарының нуклеосома құрамына кіретін гистон ақуыздарының аминоқышқылдарына берілу процесі. ДНК-ның қос спиралі хромосомаларды құру үшін осы гистондардың айналысына оралады. Гистонның метилдеуі гендердің транскрипциясын арттыруы немесе азайтуы мүмкін, бұл гистонның қандай аминоқышқылдары метилделгеніне және қанша метил тобы қосылғанына байланысты. Гистон құйрықтары мен ДНК арасындағы химиялық байланысты әлсізтетін метилдеу оқиғалары транскрипцияны арттырады, себебі бұл ДНК-ның нуклеосомадан оралуына, соның салдарынан транскрипция факторлары ақуыздары мен РНК полимеразаның ДНК-ға қол жеткізуіне мүмкіндік береді. Бұл процесс әртүрлі жасушалардың әртүрлі гендерді өрнектеуіне мүмкіндік беретін гендік экспрессияны реттеу үшін өте маңызды.
Histone methylation is a process by which methyl groups are transferred to amino acids of histone proteins that make up nucleosomes, which the DNA double helix wraps around to form chromosomes. Methylation of histones can either increase or decrease transcription of genes, depending on which amino acids in the histones are methylated, and how many methyl groups are attached. Methylation events that weaken chemical attractions between histone tails and DNA increase transcription because they enable the DNA to uncoil from nucleosomes so that transcription factor proteins and RNA polymerase can access the DNA. This process is critical for the regulation of gene expression that allows different cells to express different genes.
Функция
Хистон метилдеуі хроматин құрылымын өзгерту механизмі ретінде, ұзақ мерзімді естеліктер мен оқу үшін маңызды деп саналатын нейрондық жолдарды ынталандырумен байланысты. Хистон метилдеуі жануарлардың эмбрионалды дамуының дерлік барлық кезеңдерінде маңызды рөл атқарады. Жануарлар моделінде метилдеу және басқа эпигенетикалық реттеу механизмдері қартаю, нейродегенеративті аурулар және зиякерлік қабілетінің жетілмеуімен байланысты екені көрсетілді. H3K4, H3K27 және H4K20 дұрыс реттелмеуі қатерлі ісіктерге алып келуі мүмкін. Гистондардың кейбір лизин (K) және аргинин (R) қалдықтарының метилделуі транскрипциялық белсендіруге әкеледі. Мысалдарға гистон 3-тің (H3K4me1) 4-ші лизинінің метилделуі және H3 және H4-тегі аргинин (R) қалдықтары жатады. Гистон метилтрансферазалары арқылы гистонға метил топтарының қосылуы, метилденетін аминқышқылына және жақын жердегі басқа метил немесе ацетил топтарының болуына байланысты транскрипцияны белсендіре де, одан әрі тежеу де мүмкін. Көбінесе гистон лизин метилдеуі үшін гистон метилтрансферазалары (метилдейтін ферменттер) "жазушылар" деп, ал деметилазалар "жоюшылар" деп сипатталады.
Механизм
Хроматиннің негізгі бірлігі – нуклеосома, онда ақуыздық октамердің айналасына оралған ДНҚ болады. Бұл октамер төрт гистон ақуызының – H2A, H2B, H3 және H4 – екі-екі данасынан тұрады. Бұл ақуыздардың әрқайсысының «құйрығы» бар, және осы құйрықтар метилирлеу арқылы нуклеосоманы өзгертуге (модификациялауға) бейім. ДНҚ-ның белсенділігі немесе белсенділіктен айырылуы көбінесе метилирленген аминқышқыл қалдығының және оның метилирлеу дәрежесінің ерекшелігіне байланысты. Гистондар тек лизин (K) және аргинин (R) аминқышқылдарында ғана метилирлене алады, бірақ метилирлеу көбінесе H3 және H4 гистон құйрықтарының лизин қалдықтарында кездеседі. Нуклеосомалық өзектен ең алыс орналасқан құйрық ұшы – N-терминалы (аминқышқылдар осы ұштан нөмірленеді). Генді белсендірумен байланысты метилирлеудің кең таралған орындарына H3K4, H3K48 және H3K79 жатады. Гендік инактивацияның кең таралған орындарына H3K9 және H3K27 жатады. Осы орындарды зерттеулер көрсеткендей, гистон құйрықтарының әртүрлі аминқышқылдарындағы метилирлеу хроматиннің белсенділігін немесе белсенділіктен айырылуын реттеуге қатысатын әртүрлі ақуыздар мен ақуыз кешендерін тартуға (қамтамасыз етуге) маркерлік сигнал береді. Лизин және аргинин аминқышқылдарының екеуінде де амин тобы бар, бұл оларға негіздік және гидрофобтық қасиеттер береді. Лизин моно-, ди- немесе триметилденуі мүмкін, метил тобы NH3+ тобының әрбір сутегін алмастырады. Аргининде бос NH2 және NH2+ тобы болғандықтан, ол да моно- немесе диметилденуі мүмкін. Бұл диметилдену NH2 тобында асимметриялық түрде немесе әр топта бір метилденумен симметриялық түрде жүзеге асуы мүмкін. Әрбір аминқышқылға метил тобын қосу үшін әртүрлі субстраттар мен кофакторлармен жұмыс істейтін ақуыз ферменттерінің белгілі бір жиынтығы қажет. Әдетте, аргинин аминқышқылдарын метилирлеу үшін протеин аргинин метилтрансферазасын (PRMT) қамтитын кешен қажет, ал лизин үшін эволюциялық тұрақты SET доменін қамтитын белгілі бір гистон метилтрансферазасы (HMT) қажет. Аминқышқылдардың метилирлеу дәрежесі әртүрлі функцияларды анықтай алады, мысалы, жиі зерттелетін H4K20 аминқышқылының метилирлеуі. Монометилденген H4K20 (H4K20me1) хроматиннің тығыздалуына және, демек, транскрипциялық репрессияға қатысады. Алайда, H4K20me2 зақымдалған ДНҚ-ны жөндеуде маңызды рөл атқарады. Диметилденген кезде, бұл аминқышқыл 53BP1 ақуызына байланысу үшін платформаны қамтамасыз етеді, ол гомологтық емес ұштарының бірігуі арқылы екі тізбекті ДНҚ үзілістерін жөндеуге қатысады. H4K20me3 гетерохроматинде шоғырланған, ал оның триметилденуінің төмендеуі қатерлі ісік прогрессиясында байқалады. Сондықтан H4K20me3 хроматинді басуда қосымша рөл атқарады.
Гистон метилтрансферазасы
Геном тығыз хроматинге жинақталған, оның транскрипция үшін босатылуы қажет. Геннің транскрипциясын тоқтату үшін ДНҚ-ны одан да тығыз орау керек. Бұл белгілі бір орындағы гистондарды метилирлеу арқылы өзгерту арқылы жүзеге асырылады. Гистон метилтрансферазалары – S-аденозилметиониннен (SAM) H3 және H4 гистондарының лизин немесе аргинин қалдықтарына метил топтарын көшіретін ферменттер. Гистондардың негізгі глобулярлы домендері де метилирленуі мүмкін. Гистон метилтрансферазалары лизинге немесе аргининге қатысты ерекшеленеді. Лизинге қатысты трансферазалар SET доменінің болуына немесе болмауына қарай жіктеледі. Бұл домендер ферменттің SAM-нен трансферлік белокқа, содан кейін гистон қалдықтарына метилді қалай катализдеу арқылы берілетінін нақты анықтайды. Метилтрансферазалар мақсатты қалдықтарға 1-ден 3-ке дейін метил тобын қоса алады. Гистонға қосылған метилдер транскрипция факторларының ДНҚ-ға қол жеткізуін шектеу немесе жеңілдету арқылы транскрипцияны реттейді. Осылайша геномның тұтастығы және гендердің эпигенетикалық мұралануы гистон метилтрансферазаларының әрекеттерімен бақыланады. Гистонды метилирлеу геномның тұтастығын және жасушалар экспрессиялайтын гендерді ажыратуда маңызды рөл атқарады, осылайша жасушаларға олардың ерекшеліктерін береді. Метилирленген гистондар транскрипцияны жоққа шығаруға немесе белсендіруге қабілетті.
Эпигенетика
Гистонға енгізілген өзгерістер клеткада экспрессияланатын гендерге әсер етеді, және бұл гистон метилтрансферазалары арқылы гистон қалдықтарына метил тобы қосылғанда болады. Гистонның метилирленуі гетерохроматин механизмін құрастыруда және транскрипцияланатын және транскрипцияланбайтын гендер арасындағы гендік шекараларды сақтауда маңызды рөл атқарады. Бұл өзгерістер ұрпақтан ұрпаққа беріледі және жасушалардың сыртқы ортасына тәуелді болуы мүмкін. Эпигенетикалық өзгерістер қайтымды, яғни олар терапияға бағытталатын нысана бола алады. Гистон метилтрансферазаларының активтілігі гистон деметилазаларының активтілігімен теңестіріледі. Бұл бұрыннан бар өзгерістерді кері қайтару арқылы транскрипцияны қосуға немесе өшіруге мүмкіндік береді. Гистон метилтрансферазалары мен гистон деметилазаларының активтілігін қатаң түрде реттеу қажет. Олардың біреуінің дұрыс реттелмеуі ауруға бейімделуді күшейтетін ген экспрессиясына алып келуі мүмкін. Көптеген қатерлі ісіктер дұрыс реттелмеген метилирлеудің эпигенетикалық салдарынан туындайды. Дегенмен, осы процестер кейде қайтымды болғандықтан, олардың активтілігін қатерлі ісікке қарсы терапиямен бірге пайдалануға қызығушылық бар. Белсенді емес Х хромосомасы (Xi) гетерохроматин деп аталатын хроматиннің өте тығыз түріне жиналған. Бұл жиналу гистон құрамына кіретін әртүрлі лизин қалдықтарының метилирленуіне байланысты болады. Адамдарда Х-инактивациясы кездейсоқ процесс, ол кодтамайтын РНК XIST арқылы жүзеге асырылады. Лизин қалдықтарының метилирленуі көптеген гистондарда орын алғанымен, Xi үшін ең ерекше белгі – үшінші гистонның тоғызыншы лизиніндегі (H3K9) метилирлеу. Бұл аймақтың бір рет метилирленуі гендердің транскрипциялық активтілігін сақтаса, гетерохроматинде бұл лизин қалдығы көбінесе екі немесе үш рет метилирленеді, сәйкесінше H3K9me2 немесе H3K9me3, ДНК-ның инактивациясын қамтамасыз ету үшін. Жақындағы зерттеулер H3K27me3 және H4K20me1 де ерте эмбриондарда жиі кездесетінін көрсетті. Xi хромосомасынан транскрипциялық активті ДНК аймақтарымен байланысты басқа метилирлеу белгілері, H3K4me2 және H3K4me3, сондай-ақ көптеген ацетилдеу белгілері де жоғалып кеткен. Кейбір Xi гистонының метилирлеу белгілері түрлер арасында салыстырмалы түрде тұрақты екені белгілі болғанмен, жақында әртүрлі организмдерде және тіпті бір организмдегі әртүрлі жасушаларда олардың Х-инактивациясы үшін әртүрлі белгілер болуы мүмкін екендігі анықталды. Гистон метилирлеуі арқылы генетикалық импринтинг жүзеге асырылады, сондықтан бір Х гомологы хромосомалық репликация мен жасушалық бөліну кезінде инактивацияланған күйде қалады.
Мутация
Гистон метилирлеуі гендердің көп бөлігін реттейтіндіктен, метилирлеу үлгілеріндегі тіпті шағын өзгерістер де организмге ауыр салдарлар тигізуі мүмкін. Метилирлеуді арттыру және азайтуға себеп болатын мутациялар гендік реттеуде елеулі өзгерістер тудырады, ал метилтрансфераза және деметилтрансфераза сияқты ферменттерге түсетін мутациялар белгілі бір жасушада қай ақуыздар транскрипцияланатынын толығымен өзгерте алады. Хромосоманың шамадан артық метилирленуі қалыпты жасуша функциясы үшін қажетті белгілі бір гендердің инактивациялануына әкелуі мүмкін. Saccharomyces cerevisiae ашытқысының белгілі бір штаммында, үшінші гистонның H3K4, H3K36 және H3K79 лизин қалдықтарының метилирленуіне себеп болатын мутация митоздық жасуша циклының баяулауына әкеледі, себебі осы процеске қажетті көптеген гендер инактивацияланады. Бұл өте күшті мутация организмнің өліміне соқтырады. Гистон метилтрансферазасын өндіруге мүмкіндік беретін гендерді жою, осы организмнің тірі қалуына мүмкіндік береді, өйткені оның лизин қалдықтары метилирленбейді. Соңғы жылдары зерттеушілердің назарына көптеген қатерлі ісіктердің басым бөлігі эпигенетикалық факторларға байланысты екені белгілі болды. Қатерлі ісік гистондардың дифференциалды метилирленуінің салдарынан түрлі жолдармен пайда болуы мүмкін. Онкогендер мен ісікке қарсы гендердің ашылуынан бері, қатерлі ісіктің пайда болуы мен басуының маңызды факторы біздің геномымыздың ішінде екені белгілі. Егер онкогендердің айналасындағы аймақтар метилденбесе, қатерлі ісіктің дамуына себеп болатын гендер алаңдатарлықтай жылдамдықпен транскрипциялануы мүмкін. Бұған керісінше, ісікке қарсы гендердің метилирленуі. Егер осы гендердің айналасындағы аймақтар жоғары метилденген болса, ісікке қарсы ген белсенді болмайды, демек қатерлі ісік пайда болуы ықтимал. Метилирлеу үлгісіндегі бұл өзгерістер көбінесе метилтрансфераза мен деметилтрансферазадағы мутацияларға байланысты. Изоцитрат дегидрогеназа 1 (IDH1) және изоцитрат дегидрогеназа 2 (IDH2) сияқты ақуыздардағы басқа да мутациялар гистон деметилтрансферазасының инактивациясына әкелуі мүмкін, бұл өз кезегінде түрлі қатерлі ісіктерге, глиомаларға және лейкемияларға соқтыруы мүмкін, мутация қай жасушаларда пайда болғанына байланысты.
Бір көміртегілік метаболизм гистон метилирлеуін өзгертеді
Бір көміртек метаболизмінде глицин және серин аминқышқылы фолат және метионин циклдары арқылы нуклеотидтік прекурсорларға және SAM-ға түрленеді. Глюкоза, серин, глицин және треонин сияқты бірнеше қоректік заттар бір көміртек метаболизмін қамтамасыз етеді. Метил доноры SAM-ның жоғары деңгейі гистон метилирлеуіне ықпал етеді, бұл SAM-ның жоғары деңгейі қатерлі өзгерістердің алдын қалай келеді деген сұраққа жауап беруге көмектеседі.