ции оснований ДНК и белков хроматина, которые не изменяют фактическую последовательность пар оснований, а скорее усиливают или подавляют её транскрипцию, влияя на структуру хроматина и связывание факторов транскрипции. Эпигенетика необходима для нормального развития и функционирования и играет важную роль как в нормальном функционировании клеток, так и в развитии заболеваний. Эпигенетические модификации включают метилирование ДНК, модификации гистонов и ремоделирование хроматина.
Метилирование ДНК преимущественно заключается в присоединении метильной группы [S-аденозилметионина (SAM)] к пятому углеродному положению цитозиновых оснований в динуклеотидах CpG — цитозине (участке последовательности ДНК, где нуклеотиды цитозин и гуанин расположены последовательно один за другим с фосфатом между ними), за которым сразу следует гуанин.
ДНК-метилтрансфераза (DNMT) — это группа ферментов, отвечающих за присоединение метильных групп к ДНК. Метилирование ДНК, как правило, подавляет транскрипцию гена, уплотняя структуру хроматина и предотвращая связывание транскрипционных факторов, а также путем координации с HDAC (гистондеацетилазой) для уменьшения ацетилирования гистонов.
Однако было показано, что во время клеточной дифференцировки метилирование 3′-CpG-островков активирует транскрипцию. Метильные группы могут быть удалены из ДНК путем деметилирования — активного или пассивного. Активное деметилирование происходит с помощью ферментов семейства ten-eleven translocation (TET), в то время как пассивное деметилирование происходит во время репликации ДНК из-за отсутствия метилирования вновь образованных дочерних цепей (тем самым ослабляя существующее метилирование).
Гистоны — это октамеры, состоящие из двух копий каждого из четырех основных строительных блоков — H2A, H2B, H3 и H4, — которые обернуты вокруг ДНК, образуя нуклеосому. Несколько нуклеосом дополнительно обернуты друг вокруг друга и стабилизированы линкерными гистонами H1. Модификации гистонов бывают разных форм:
- ацетилирование;
- метилирование (моно-, ди-, триметилирование);
- фосфорилирование;
- убиквитинирование (ферментативная посттрансляционная модификация, заключающаяся в присоединении убиквитина к белковому субстрату);
- сумоилирование, представляющее собой посттрансляционную модификацию белков с участием белка SUMO (Small Ubiquitin-related MOdifier)).
Ацетилирование гистона обычно способствует транскрипции, нейтрализуя положительный заряд гистона и тем самым уменьшая его притяжение к отрицательно заряженной ДНК, позволяя ДНК раскрыться. Ацетилирование гистонов происходит с помощью фермента гистонацетилтрансферазы (HAT), а деацетилирование — с помощью фермента гистондеацетилазы (HDAC).
Метилирование гистонов может либо стимулировать, либо ингибировать транскрипцию в зависимости от места метилирования, а также, как было показано, влиять на активность метилирования ДНК, и наоборот. Этот процесс происходит с помощью гистонметилтрансферазы (HMT, фермента, регулирующего метилирование гистонов), в то время как деметилирование происходит с помощью лизиндеметилазы (KDM, фермента, снимающего химические метильные группы с остатков аминокислоты лизина у белков гистонов).
Фосфорилирование гистонов — важный регулятор транскрипции генов и конденсации митотического хроматина. Фосфорилирование происходит по остаткам серина, треонина и тирозина с помощью различных регуляторных киназ. Считается, что механизм, с помощью которого этот процесс достигает своих результатов, заключается в изменении сродства к связыванию с поверхностью ДНК.
Убиквитинирование гистонов заключается в присоединении убиквитиновой группы — небольшого регуляторного белка — к гистонам H2A или H2B. Для убиквитинирования требуются три фермента: E1, E2, E3. Это последовательный процесс, который может привести к подавлению или усилению транскрипции в зависимости от места убиквитинирования. В свою очередь сумоилирование — это присоединение группы SUMO (малых убиквитин-подобных модификаторов) к гистонам или факторам транскрипции с помощью ферментов E1, E2, E3, что обычно приводит к подавлению транскрипции.
Другой очень важный регулятор клеточных функций — метилирование негистоновых белков. Это посттрансляционные модификации белков, которые изменяют их функции. Метильные группы могут присоединяться к остаткам лизина или аргинина в определенных белках. Функции этих модификаций ещё не до конца изучены, но считается, что они влияют на структуру и функции ДНК, синтез и метаболизм РНК и белков, а также на клеточный цикл и апоптоз.
Эпигенетические изменения при репродуктивном старении у женщин
Отмечалось, что изменения в эпигенетике и связанных с ней ферментах в ооцитах женщин старшего возраста включают изменения в уровнях ДНК-метилтрансферазы, уровнях метилирования ДНК, а также в паттернах ацетилирования и метилирования гистонов.
Изменения ДНК-метилтрансферазы (DNMT) при репродуктивном старении. ДНК-метилтрансфераза – это группа ферментов, ответственных за добавление метильных групп к ДНК. В настоящее время известно о пяти DNMT, каждая из которых имеет несколько отличающуюся функцию: DNMT1, DNMT2, DNMT3a, DNMT3b и DNMT3L.
Существует также два типа метилирования ДНК: поддерживающее и de novo. Поддержание метилирования происходит после полуконсервативной репликации ДНК, когда вновь синтезированная полунеметилированная дочерняя цепь метилируется по тому же принципу, что и родительская матричная цепь.
Таким образом, новая гемиметилированная ДНК становится полностью метилированной. При этом задача DNMT1 — поддержание метилирования. С другой стороны, когда двухцепочечная неметилированная ДНК метилируется впервые, это называется метилированием de novo. Этот процесс происходит с участием DNMT3a и DNMT3b.
DNMT3L сам по себе не метилирует ДНК, но способствует активности DNMT3a и DNMT3b. DNMT2 выполняет отдельную функцию по метилированию транспортной РНК. В свою очередь, DNMT2 выполняет отдельную функцию в метилировании транспортной РНК.
Во время нормального развития, когда яйцеклетка развивается из примордиального фолликула в первичный, затем во вторичный фолликул, а затем из зародышевого пузырька (GV) через метафазу II (MII) и далее, уровни различных типов DNMT постоянно меняются. DNMT1 впервые экспрессируется на стадии вторичного фолликула и продолжается на протяжении зиготической стадии (первого этапа развития эмбриона, продолжающегося от момента проникновения сперматозоида в яйцеклетку до первого деления оплодотворенной яйцеклетки) и далее. Экспрессия DNMT3a начинается с примордиальной стадии (первой стадии в процессе созревания фолликулов, т. е. фолликулогенеза), а экспрессия DNMT3b — со стадии первичного фолликула. DNMT2a не обнаруживается ни на одной стадии. DNMT3L обнаруживается в преимплантационных эмбрионах.
Клеточное расположение (цитоплазматическое или ядерное), в котором находятся ферменты, также меняется на разных стадиях. Было показано, что уровни DNMT 3a, 3b и 3L в развивающихся ооцитах коррелируют с уровнями их роста и метилирования ДНК, что указывает на их уникальную роль в созревании ооцитов.
С возрастом эта схема регуляции DNMT изменяется. В исследовании, проведенном на ооцитах от женщин более старшего возраста, было выявлено снижение экспрессии генов, участвующих в контрольных точках клеточного цикла, восстановлении повреждений ДНК и транскрипции.
Изменения метилирования ДНК при репродуктивном старении
Метилирование ДНК в половых клетках и ранних эмбрионах динамично и играет решающую роль в развитии и росте на протяжении всей жизни. Соматические клетки имеют стабильную и высокометилированную ДНК, которая регулирует экспрессию генов и позволяет им выполнять свои тканеспецифические функции. Хотя зрелые ооциты и сперматозоиды имеют одинаково высокий уровень метилирования, они претерпевают динамические изменения на протяжении всего своего развития.
После оплодотворения материнские и отцовские хромосомы физически разделены и подвергаются разным изменениям метилирования. Отцовский геном активно деметилируется до начала репликации ДНК, в то время как материнский геном деметилируется пассивно. К стадии бластоцисты, близкой к моменту имплантации, оба генома снова реметилируются. Этот цикл деметилирования и реметилирования важен для удаления родительских эпигенетических модификаций генома зародышевых клеток и для установления тотипотентности нового эмбриона. С возрастом у матери многие закономерности меняются.
В исследовании изучались уровни метилирования ДНК и связанной с этим транскрипции генов в клетках гранулезы человека. Выявлялись закономерности метилирования геномной ДНК в клетках гранулезы молодых (средний возраст 26 лет) и более старших (средний возраст 40 лет) женщин. Младшая группа хорошо реагировала на стимуляцию яичников во время вспомогательных репродуктивных технологий (ВРТ), в среднем было получено 25 яйцеклеток, в то время как старшая группа плохо реагировала, в среднем было получено менее 4 яйцеклеток.
Кроме того, в исследовании попытались оценить, как эти различия в метилировании могут влиять на экспрессию генов. Было обнаружено 3397 генов, экспрессия которых различалась в двух группах, из которых 1809 в старшей группе снизили экспрессию, и многие из них связаны с функцией яичников (например, антимюллеров гормон).
Помимо этого, были изучены последствия изменения метилирования ДНК у женщин старшего возраста. Выяснилось, что это приводит к снижению экспрессии многих важных генов.
Для этого использовался метод секвенирования РНК отдельных эмбрионов для изучения генетической экспрессии человеческих бластоцист. Было обнаружено, что с увеличением возраста матери снижается экспрессия более 800 генов, в том числе многих генов, критически важных для контроля клеточного цикла и мейотической сегрегации хромосом и являющихся потенциальными причинами анеуплоидии при старении. Что подчеркивает важную роль эпигенетики в нормальном репродуктивном процессе.
