Metilacija DNK: pomen, mehanizem in vpliv na izražanje genov

Metilacija DNK je glavni način prilagajanja aktivnosti genov v življenju, zlasti v zgodnjem razvoju.

Gre za kemičen postopek, pri katerem se na baze v molekuli DNK dodajo metilne skupine. Pri evkariontih (gubah, rastlinah, živalih) je najpomembnejša metilacija nukleotida citozina na položaj 5 (5‑metilcitozin), ki se najpogosteje pojavlja v kontekstu dinukleotida CpG. Metilacija lahko zmanjša ali prepreči transkripcijo genov: deluje tako, da omeji vezavo transkripcijskih dejavnikov ali privabi proteine, ki kondenzirajo kromatin in onemogočijo dostop transkripcijskemu aparatu.

Mehanizem in encimi

Metilacijo izvajajo encimi iz skupine DNMT (DNA metiltransferaze). Pomembne so vsaj dve funkcionalni vrsti:

• DNMT3A in DNMT3B – encimi za de novo metilacijo, ki postavijo nove metilacijske vzorce med razvojem in diferenciacijo;
• DNMT1 – encim za vzdrževanje metilacije, ki pri vsaki celični delitvi prepozna polmetilirano DNK in prenese vzorec na novo sintetizirano verigo.

Obratni proces, aktivna demetilacija, vključuje encime iz družine TET, ki oksidirajo 5‑metilcitozin v vmesne oblike (npr. 5‑hidroksimetilcitozin), ki se nato popravijo nazaj v nezmetilirani citozin. Tako so metilacijski vzorci dinamični in lahko odzivajo na notranje in zunanje vplive.

Vpliv na izražanje genov in kromatin

Metilacija vpliva na izražanje genov na več načinov:

• Če so metilirani promotorski in regulatorni deli, se pogosto zmanjša transkripcija posameznega gena;
• metilacija transkripcijskih začetnih mest ali enhancerjev lahko prepreči vezavo aktivatorjev;
• metilirani CpG širijo vezavo beljakovin, kot so MeCP2 in drugi methyl‑CpG binding proteins, ki rekruitirajo histonske deacetilaze in druge faktorje za zapiranje kromatina;
• metilacija ponavadi sodeluje z drugimi epigenetskimi oznakami (npr. histonskimi modifikacijami) in skupaj oblikuje kontekst, ki določa ali je gen dostopen za transkripcijo.

Biološke vloge

• Embriogeneza in diferenciacija: med zgodnjim razvojem se vzpostavljajo specifični metilacijski vzorci, ki omogočajo trajno utišanje genov v določenih linijah celic in s tem določajo celično identiteto.
• X‑inaktivacija: pri sesalcih metilacija sodeluje pri inaktivaciji enega od X kromosomov pri ženskah.
• Genomski imprinting: nekatere regije podedujejo metilacijske vzorce, ki povzročijo, da je izraz določenih genov odvisen od tega, ali so bili podedovani od očeta ali matere.
• Silenje transpozonov in repetitivnih elementov: metilacija pripomore k stabilnosti genoma z utišanjem mobilnih elementov.
• Vpliv na staranje in odziv na okolje: prehrana (folati, vitamin B12), toksini, stres in druge zunanje okoliščine lahko vplivajo na metilacijske vzorce.

Trajnost in dedovanje

Spremembe v aktivnosti genov zaradi metilacije lahko trajajo do konca življenja posamezne celice in se prenesejo na potomke v okviru celičnih delitev. Kljub temu se zaporedje DNK v organizmu ne spremeni; gre za nededne spremembe, ki povzročijo, da se geni obnašajo (izražajo) drugače.

Vendar pa obstaja tudi obsežno epigenetsko preprogramiranje v zarodku in vgemetah (germ cells), kjer se večina metilacij odstrani in nato ponovno vzpostavi. Zato je trajno medgeneracijsko prenašanje metilacij v sesalcih omejeno, čeprav so v določenih primerih in pri določenih organizmih poročila o prenosu epigenetskih značil čez generacije.

Klinični pomen in bolezni

• Rak: nepravilni metilacijski vzorci so pogosti pri rakavih celicah. Globalna hipometilacija lahko vodi v genomko nestabilnost in aktivacijo onkogenov, medtem ko lokalna hipermetilacija promotorjev tumor‑supresorskih genov vodi v njihovo utišanje.
• Dedne in nevrološke motnje: spremembe v beljakovinah, ki prepoznajo metilirano DNK (npr. MeCP2), so povezane z motnjami, kot je Rettov sindrom.
• Uporaba v diagnostiki: metilacijski profili so lahko biomarkerji za zgodnje odkrivanje raka, napoved prognoze ali odziva na zdravljenje.
• Terapevtski pristopi: zaviralci DNMT (npr. azacitidin, dekitabina) se uporabljajo v zdravljenju nekaterih hematoloških malignosti, z namenom razmetilacije in ponovne vzpostavitve izražanja utišanih genov.

Metode za analizo metilacije

Raziskovalci uporabljajo več metod za določanje metilacijskih vzorcev:

• bisulfitsko sekvenciranje (bisulfite sequencing) – "zlati standard" za visoko ločljivostno določanje metilacije posameznih C;
• meDIP (methylated DNA immunoprecipitation) in drugi obogatovalni postopki;
• mikroplošče in ciljno usmerjene metode ter celovito genomsko bisulfitsko sekvenciranje za analizo po celem genomu.

Zaključek

Metilacija DNK je temeljni epigenetski mehanizem, ki omogoča prilagajanje izražanja genov brez spremembe zaporedja DNK. Skozi delovanje encimov, interakcije s histonskimi modifikacijami in odzive na okoljske dejavnike oblikuje razvoj, celično specializacijo, stabilnost genoma in prispeva k razvoju bolezni. Razumevanje natančnih vzorcev in mehanizmov metilacije odpira možnosti za diagnostiko, napoved in ciljno zdravljenje v medicini.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je metilacija DNK?

V: Kateri nukleotidi v DNK se lahko metilirajo?

V: Kaj je epigenetika?

V: Na čem temelji epigenetika?

V: Kaj je preučevanje izražanja genov?

V: Kako dolgo lahko trajajo spremembe v aktivnosti genov zaradi metilacije?

V: Ali metilacija DNK spremeni osnovno zaporedje DNK organizma?

Išči po črki