Нов нуклеотид може да революционизира епигенетиката
Химичната структура на цитозина, един от четирите
нуклеотидни бази, които съставят ДНК. Нови изследвания показват, че два допълнителни нуклеотида --
5-метилцитозин и 5-хидрометилцитозин – понякога могат да
заместят цитозина в двойната спирала на ДНК за да регулират изявата на гените. (Credit: Wikimedia Commons)
| ScienceDaily (Apr. 17, 2009) — Всеки, който малко е изучавал генетика в училище е чувал за аденин, тимин, гуанин и цитозин – A, T, G и C, които съставят ДНК кода. То това не е цялата история. Възходът на епигенетиката през последното десетилетие привлече вниманието към пети нуклеотид, 5-метилцитозин (5-mC), който понякога замества цитозина в известната двойна спирала на ДНК, за да регулира изявата на гените. Оказа се обаче, че има и шести: 5-хидрометилцитозин.
В експерименти, които се публикуваха на 16 Април от сп. Сайънс (Наука), изследователите разкриват допълнително свойство в ДНК кода на бозайниците, отварящ съвсъм ново поле за изследвания в епигенетиката.
Работата, проведена от лабораторията Натаниел Хайнц по молекулярна биология в Университета Рокфелер, предполага, че нов пласт на сложност съществува между нашите основни генетични отпечатъци и съществата, които израстват от тях. „Това е друг механизъм за регулация на изявата на гените и ядрената структура, който никой не знае как става,” казва Хайнц, който също е разследващ в Медицинския институт Хауърд Хюз. "Резултатите са ясни; няма несигурност. Мисля, че това откритие ще породи голямо вълнение в областта на епигенетиката.”
Гените, сами по себе си не могат да обяснят обширните различия в сложността при червеите, мишиките, маймуните и хората, като всички от тях имат грубо казано един и същ генетичен материал. Учените са открили, че тези различия произлизат в частност от динамичното регулиране на изявата на гените отколкото от самите гени.
Епигенетиката, сравнително млало и много горещо поле в биологията, е учението за не-генетичните фактори, които управляват това регулиране.
Един ключов епигенетичен играч е ДНК метилирането (methylation), който посочва местата където цитозина предхожда гуанина в ДНК кода.
|
Ензим наречен ДНК methyltransferase прикрепя метилова група към цитозина, създавайки различен, но стабилен нуклеотид наречен 5-метилцитозин. Тази модификация в промотиращия регион на гена резултира в безмълвие (заглушаване, замлъкване) на гена.
Някои регионални ДНК метилирането (methylation) се случват в най-ранните етапи на живота, повлиявайки върху разграничаването на ембрионните стволови клетки в различни типове клетки, които образуват различни органи, тъкани и системи в тялото.
Скорошно изследване показа, обаче, че факторите на околната среда и опитностите, също като типа грижа, който малките мишки получават от майка си, също могат да резултират в метилиращи (methylation) шаблони и кореспондиращи поведения, които са наследствени за няколко генерации. Хиляди научни разработки са се фокусирали върху ролята на 5-метилцитозина в развитието.
Откритието на нов нуклеотид може да накара биолозите да преосмислят техните подходи към изследването на ДНК methylation.
Иронично, най-последната добавка в речника на ДНК е била открита случайно по време на изследвания на нивото на 5-метилцитозина в много голямото ядро на клетките Purkinje cells, казва Скирмантас Криауционис (Skirmantas Kriaucionis), асистент в лабораторията Хайнц, който е провел изследването. "Ние не търсихме тази модификация,” казва той. „Просто я открихме.”
Криауционис е работил с група за да сравни нивата на 5-метилцитозин в две много различни, но свързани неврона в мозъка на мишка - клетките Purkinje, най-големите мозъчни клетки, и гранулирани клетки, най-многобройните и най-малките. Заедно, тези два типа клетки координират двигателната функция в малкия мозък. След разработването на нов метод за разделяне на ядрата на индивидуалните типове клетки една от друга, Криауционие е анализирал епигенетичния състав на клетките и се е натъкнал на значителни количества на неочакван и аномален нуклеотид, който той нарекъл ‘х’.
Той отговаря за 40 процента от метилирания (methylated) цитозин и 10 процента в гранулираните неутрони.
След това той е направил серии от тестове върху ‘х’, включително и масова спектрометрия, която определя елементарните компоненти на молекулите чрез разделянето им на съставните им части, зареждайки ги и измервайки показателя им маса-към-заряд. Той е повторил експериментите повече от 10 пъти и е получавал един и същ резултат: х е бил 5-хидрометилцитозин, стабилен нуклеотид преди това наблюдаван в най-простите форми на живот, бактериалните вируси. Група от други тестове са показали, че ‘х’ не може да бъде остатъчен продукт на възрастта, ДНК разрушаване по време на процедура по клетъчна изолация или РНК замърсяване. "Той е стабилен и е в голямо количество в мозъка на мишките и хората,” казва Криауционис.
„Това е наистина вълнуващо.” Какво прави този нуклеотид все още не е ясно. Първоначалните тестове предполагат, че той може да играе роля в деметилирането (demethylating) на ДНК, но Криауционис и Хайнц вярва, че може да има позитивна роля в регулирането на изявата на гените. Причината, че този нуклеотид не е виждан преди, казват изследователите, е в методологиите използвани в повечето епигенетични експерименти. Обикновено, учените използват процедура наречена бисулфитна (bisulfite) последователност за идентифициране на местата на ДНК метилиране (methylation).
Но този тест не може да прави разлика междъ 5-хидрометилцитозина и 5-метилцитозина, слабост, която е пазела скрит открития нуклеотид от години насам, споделят изследователите. Откритието му може да накара изследователите да ревизират цялата си предишна работа. Човешкият Епигеномен Проект например, е в процес на картографиране на всички места на метилиране използвайки бисулфитната последователност. „Ако се окаже завбъдеще, че (5-хидрометилцитозина и 5-метилцитозина) имат различни стабилни биологически значения, което ние вярваме, че е така, тогава експериментите по епигенетичното картографиране ще трябва да се повторят с помощта на нови средства, които да различават новите две единици,” казва Криауционис.
Второ изследване ще бъде публикувано в Сайънс от независима група от Харвард, предоставящо повече доказателства за това че 5-хидрометилцитозина и 5-метилцитозина са сериозни епигенетични играчи. Това изследване ще разкрие гените, които произвеждат тези ензини, които специално конвертират 5-метилцитозина в 5-хидрометилцитозин. Тези ензими може би работят аналогично на ДНК метилтрансферирането (methyltransferase), предполагайки динамична система за регулиране на изявата на гените чрез 5-хидрометилцитозина.
Криауционис и Хайнц не знаеха за работата на другата група, водена от Аняна Рао, до началото на месеца. "Ако видите нашия резултат, и красивите изследвания на ензимологията от групата на Д-р Рао, осъзнавате, че сте на върха на айсберга на интересната биология и експериментиране,” казва Хайнц, невролог, чийто изследвания преди не са били фокусирани върху епигенетиката. "Това откритие на ензим, който може да конвертира 5-метилцитозина на 5-хидрометилцитозин слага ново начало на изследванията е епигенетиката.”
Криауционис сега картографира местата където 5-хидрометилцитозина присъства в генома, и изследователите планират генетично да модифицират мишки за да изявят новооткрития нуклеотид в специфичните типове клетки и да изучат ефектите му. „Това е голямо откритие в областта, и със сигурност ще бъде свързано в невралната функция по начин, който можем да дешифрираме,” казва Хайнц.
Източник: http://www.sciencedaily.com/releases/2009/04/090416144639.htm
