DNS metilēšana: kā šūna klusina gēnus

Cilvēka nobriedušās šūnās metilēšana gandrīz vienmēr skar citozīnu, kuram DNS ķēdē tūlīt seko guanīns. Šādu vietu apzīmē kā CG punktu, kur burti norāda bāžu secību vienā ķēdē. Tā kā DNS ir divpavedienu un guanīns vienmēr savienojas ar citozīnu, šāda vieta automātiski pastāv arī pretējā ķēdē, tikai pretējā virzienā. Tieši šī simetrija ir tas, kas ļauj metilēšanas rakstu pārmantot.

Genomā šie punkti nav izvietoti vienmērīgi. Lielākajā daļā genoma to ir maz, un tie pārsvarā ir metilēti. Turpretī daudzu gēnu sākumdaļā tie ir sablīvēti nelielos apgabalos, ko sauc par CG salām, un šīs salas veselā šūnā parasti ir gandrīz pilnīgi nemetilētas, kas ļauj gēnam būt pieejamam.

Embrionālās cilmes šūnās un nervu šūnās sastopama arī metilēšana citā kontekstā, ne tikai CG punktos, taču pieaugušā organisma vairumā audu tā ir reta. Tāpat pēdējos gados noskaidrots, ka metilgrupa nav galapunkts: tā var tikt pakāpeniski pārveidota par citām formām, kuras ir starpposmi ceļā uz metilzīmes noņemšanu un vienlaikus pašas nes informāciju.

Metilēšanu veic fermentu grupa, ko sauc par DNS metiltransferāzēm. Tās iedala pēc uzdevuma. Uzturošā metiltransferāze atpazīst vietu, kur viena ķēde jau ir metilēta, bet otra vēl nav, un pievieno trūkstošo metilgrupu. Tieši tā darbojas pēc katras DNS pārkopēšanas, saglabājot rakstu. Jaunveidojošās metiltransferāzes turpretī pievieno metilgrupas tur, kur to iepriekš nebija, un tās ir īpaši aktīvas agrīnajā attīstībā.

Metilgrupas avots visos gadījumos ir viena un tā pati molekula, ko organisms veido no aminoskābes metionīna. Tās atjaunošanā piedalās folskābe un B12 vitamīns, un tieši šī saistība ir iemesls, kāpēc uztura sastāvdaļas vispār tiek pieminētas epiģenētikas kontekstā. Tomēr no tā neizriet, ka ar uztura bagātinātājiem varētu mērķtiecīgi ieslēgt vai izslēgt konkrētus gēnus.

Metilzīmes noņemšana ir sarežģītāka. Daļēji tā notiek pasīvi: ja pēc DNS pārkopēšanas metilgrupa netiek atjaunota, ar katru šūnas dalīšanos metilēto molekulu īpatsvars samazinās. Aktīvo noņemšanu veic fermenti, kas metilgrupu pakāpeniski oksidē, līdz izmainīto bāzi izgriež un aizstāj DNS labošanas sistēma.

1. DNS tiek pārkopēta, un jaunā ķēde sākotnēji ir bez metilgrupām
2. Uzturošā metiltransferāze atpazīst pusmetilētu vietu
3. Tā pievieno metilgrupu jaunajai ķēdei, atjaunojot simetriju
4. Metilētās vietas atpazīst īpašas saistošās olbaltumvielas
5. Tās piesaista hromatīna sablīvēšanas kompleksus
6. DNS šajā apgabalā kļūst cieši satīta un slikti nolasāma

Pirmais un pazīstamākais uzdevums ir gēnu klusināšana atbilstoši šūnas tipam. Šūnai, kas kļuvusi par aknu šūnu, nav vajadzīgi neironu gēni, un tie tiek stabili aizvērti. Tieši šī stabilitāte ir metilēšanas galvenā vērtība: atšķirībā no daudziem citiem regulēšanas mehānismiem tā saglabājas pēc šūnas dalīšanās.

Otrais uzdevums ir atkārtoto DNS posmu un pārvietojamo elementu klusināšana. Genomā ir daudz senu vīrusveidīgu secību, kuras, ja tās atmostas, var lēkāt pa genomu un radīt bojājumus. Blīva metilēšana šos apgabalus notur klusējošus, un tas ir viens no genoma stabilitātes pamatmehānismiem.

Trešais uzdevums ir vecāku izcelsmes atzīmēšana. Neliela daļa cilvēka gēnu strādā tikai tad, ja tie mantoti no tēva, vai tikai tad, ja no mātes, un šo atšķirību nosaka tieši metilēšanas zīmes, kas ieliktas dzimumšūnās.

Ceturtais ir X hromosomas izslēgšana sievietēm. Tā kā sievietei ir divas X hromosomas, bet nepieciešama vienas devas gēnu darbība, viena no tām tiek gandrīz pilnībā izslēgta, un metilēšana šo izslēgumu nostiprina.

• Audu specifiska gēnu klusināšana
• Atkārtoto un pārvietojamo elementu apturēšana
• Vecāku izcelsmes atzīmēšana jeb imprintings
• Vienas X hromosomas izslēgšana sievietes šūnās
• Agrīnās attīstības programmu secīga ieslēgšana un izslēgšana

Cilvēka dzīves sākumā notiek divi apjomīgi metilēšanas raksta pārrakstīšanas viļņi. Pirmais notiek tūlīt pēc apaugļošanās, kad lielākā daļa vecāku šūnu metilzīmju tiek noņemta, lai šūna varētu kļūt par visu. Otrais notiek dzimumšūnu priekštečos, kur zīmes tiek noņemtas un pēc tam ieliktas no jauna atbilstoši tam, vai veidosies olšūnas vai spermatozoīdi.

Šajos pārrakstīšanas posmos daļa zīmju tiek saudzēta un netiek dzēsta, un tieši tās ir imprintinga zīmes. Ja šī saudzēšana neizdodas, rodas raksturīgi sindromi, kas izpaužas ar augšanas, uztura un attīstības traucējumiem. Šādus stāvokļus diagnosticē klīniskais ģenētiķis ar īpašām metilēšanas analīzēm, jo parastā gēnu secības nolasīšana tos neatklāj.

Visa mūža garumā metilēšanas raksts pakāpeniski mainās. Daļa apgabalu zaudē metilgrupas, bet daļa, sevišķi CG salas, tās iegūst. Šīs izmaiņas ir pietiekami regulāras, lai uz to pamata izveidotu tā sauktos epiģenētiskos pulksteņus, kas ļauj no audu parauga aptuveni novērtēt cilvēka vecumu. Tas ir pētniecības un tiesu ekspertīzes rīks, nevis veselības rādītājs.

Audzēju šūnās metilēšanas raksts ir raksturīgi izkropļots divos pretējos virzienos vienlaikus. Genoms kopumā zaudē metilgrupas, kas padara to nestabilāku un ļauj atmosties elementiem, kuriem jābūt klusiem. Vienlaikus atsevišķu gēnu sākumdaļas salas tiek pārmērīgi metilētas, un bieži tieši tie ir gēni, kas normāli bremzētu šūnas dalīšanos vai labotu DNS bojājumus.

Šī atziņa ir praktiski nozīmīga. Atšķirībā no mutācijas, kas DNS tekstu izmaina neatgriezeniski, metilēšanas zīme principā ir noņemama. Tieši tāpēc ir izstrādātas zāles, kas nomāc metiltransferāzes, un tās tiek lietotas atsevišķu kaulu smadzeņu slimību ārstēšanā. To lietošana ir stingri speciālista ziņā.

Metilēšanas rakstu izmanto arī diagnostikā. Dažu audzēju gadījumā konkrēta gēna metilēšanas stāvoklis palīdz prognozēt, cik labi audzējs atbildēs uz noteiktu ārstēšanu. Attīstās arī metodes, kurās asinīs esošās audzēja DNS metilēšanas raksts palīdz noteikt, no kura orgāna šī DNS nāk.

Ja rodas jautājums par iedzimtu metilēšanas traucējumu, piemēram, bērnam ar neizskaidrojamu attīstības aizturi un raksturīgām pazīmēm, jāvēršas pie ģimenes ārsta, kurš nosūtīs pie klīniskā ģenētiķa. Pašam pasūtīt epiģenētiskos testus nav lietderīgi, jo to rezultāti bez konteksta nav interpretējami.

DNS metilēšana nedarbojas viena. Tā ir daļa no savstarpēji saistītu mehānismu tīkla, kurā iesaistītas arī histonu ķīmiskās izmaiņas un nekodējošās ribonukleīnskābes. Šie mehānismi viens otru pastiprina: metilēta DNS piesaista olbaltumvielas, kas maina histonus, un izmainīti histoni savukārt piesaista metiltransferāzes.

Visbiežākais pārpratums ir jaukt epiģenētisku izmaiņu ar mutāciju. Mutācija maina DNS tekstu, un to nevar atgriezt. Metilēšana teksts nemaina vispār, tā tikai nosaka, vai teksts tiek lasīts, un principā ir atgriežama. Tieši tāpēc epiģenētiskas izmaiņas ir pievilcīgs ārstēšanas mērķis.

Otrs pārpratums ir domāt, ka metilēšana vienmēr nozīmē izslēgšanu. Tas ir spēkā, ja runa ir par gēna sākumdaļas salām. Gēna iekšienē metilēšana var būt saistīta ar aktīvu nolasīšanu un palīdzēt pareizi izgriezt gēna fragmentus. Tāpēc atbilde uz jautājumu, ko metilēšana dara, vienmēr sākas ar jautājumu, kurā vietā tā notiek.

Trešais pārpratums ir pārspīlēt iedzimšanu starp paaudzēm. Šūnu paaudzēs metilēšanas raksts pārmantojas uzticami. Turpretī no vecākiem bērniem lielākā daļa zīmju tiek dzēsta divos pārrakstīšanas viļņos, tāpēc apgalvojumi, ka dzīvesveids tieši pārraksta pēcnācēju gēnu darbību, ir daudz vājāk pamatoti, nekā to mēdz pasniegt.

Grūtība ir tā, ka metilgrupa nemaina bāzes savienošanās īpašības, tāpēc parastā DNS secības nolasīšanā metilētais citozīns izskatās tieši tāpat kā nemetilētais. Klasiskais risinājums ir DNS apstrāde ar nātrija bisulfītu, kas pārveido nemetilētos citozīnus, bet metilētos atstāj neskartus. Pēc tam nolasot secību, atšķirība kļūst redzama kā burtu maiņa.

Uz šī principa balstās gan mērķtiecīgi testi atsevišķiem gēniem, gan plaša mēroga metodes, kas vienlaikus novērtē ļoti daudzus punktus visā genomā. Pēdējos gados attīstās arī metodes, kas metilgrupu nosaka tieši, DNS molekulai izejot cauri nolasīšanas ierīcei, bez ķīmiskas priekšapstrādes.

Klīniskajā praksē visbiežāk izmanto šauri mērķtiecīgus testus: imprintinga sindromu diagnostikai un atsevišķu audzēju gēnu stāvokļa noteikšanai. Plašie genoma mēroga izmeklējumi pagaidām galvenokārt ir pētniecības rīks.

Metilētais citozīns ir ķīmiski nestabilāks par parasto. Laika gaitā tas spontāni pārvēršas par timīnu, un tas nozīmē, ka metilēšanas zīme pati par sevi ir mutāciju avots. Ja šūnas labošanas sistēma šo maiņu nepamana, DNS tekstā paliek kļūda.

Sekas ir pamanāmas visā genomā. Tieši šī spontānā pārvēršanās ir galvenais izskaidrojums tam, kāpēc cilvēka genomā CG punktu ir daudz mazāk, nekā varētu sagaidīt pēc nejaušības likumiem: evolūcijas gaitā liela daļa no tiem vienkārši ir izzudusi. Turklāt tieši šādās vietās iedzimtās slimībās mutācijas sastopamas biežāk nekā citur.

No tā izriet ne visai acīmredzams secinājums: mehānisms, kas šūnai nepieciešams genoma stabilitātes uzturēšanai, vienlaikus ir viens no galvenajiem šī paša genoma bojāšanas avotiem. Šāda kompromisa klātbūtne ir raksturīga bioloģiskajām sistēmām un ir viens no iemesliem, kāpēc vienkāršus vērtējumus par to, kas organismā ir labs un kas slikts, jāizvairās izdarīt pārāk ātri.