1631210414-2ba7a851681992dc31116b8fc1369f4b (Лекция 20 - Метилирование алкилирование), страница 2

Подобному изменению подвергаются гены,которые необходимо выключить в конкретном типе клеток, и оно должно быть таким, чтобы ДНК не теряла способности копироваться приделении клетки. Тогда эта модификация сохранится и в дочерней клетке, и в ней ген тоже будет выключен. В настоящее время известнамодификация ДНК, не нарушающая кодирование и копирование. Это - метилирование, присоединение к одному из четырех азотистыхоснований, цитозину, метильной группы (–СH3).

Метилируется при этом не любой цитозин, а лишь тот, что находится в составе динуклеотидаCG. В ДНК позвоночных животных такие динуклеотиды встречаются нечасто, и более половины их бывают метилированы специальнопредназначенным для этого ферментом - ДНК-метилтрансферазой. Важно, что СH3-модификация копируется при удвоении ДНК. Если настарой цепи ДНК есть метилированные цитозины, фермент присоединяет метильные группы к таким же основаниям и на вновьсинтезируемой цепи. Благодаря этому модификация передается в клеточных поколениях, т.е. сохраняется информация о том, что данный гендолжен быть выключен.

Т.о. при размножении сохраняется распределение метилированных цитозинов по ДНК (подобные распределения частоназывают паттернами (от англ. pattern – выкройка, узор).DNMT – ДНК-метилтрансферазаМетилирование ДНК – биохимическая природа наследуемых эпигенетических сигналов.Нарушение метилирования ДНК и искажение других эпигенетических сигналов приводят к преждевременномустарению и таким заболеваниям, как рак, диабет, астма, различные тяжелые психические расстройства и др.Необходимо знать: какие участки ДНК подвергаются метилированию!Метилирование ДНК – первый материальный химически идентифицированный и расшифрованныйэпигенетический сигнал.

Сегодня доподлинно известно, что метилирование ДНК в клетке – не пустяк: оноконтролирует все! генетические процессы, в том числе и такие, как транскрипция, репликация, рекомбинация,транспозиция генов, репарация, инактивация Х-хромосомы (половая дифференцировка). Не удивительно, что кизучению этой относительно небольшой энзиматической модификации генома сейчас прикован очень большойинтерес многих исследователей мира: молекулярных биологов, биохимиков, генетиков, медиков, а такжебиооргаников.Появление остатков 5-метилцитозина (m5C) в ДНК существенно сказывается на взаимодействии ДНК с разными,в том числе и регуляторными, белками. Часто метилирование ДНК блокирует связывание ДНК с такими белкамии препятствует транскрипции генов, а иногда оно наоборот является обязательным условием для связываниябелков.

Существуют даже специальные m5CрG ДНК связывающие белки. Связывание таких белков с ДНКаранжирует весь ансамбль белков транскрипционного аппарата и необходимо для его активности. Таким образом,метилирование ДНК может служить сигналом как позитивного, так и негативного контроля за активностьюгенов.Метилирование ДНК у эукариот видо- и тканеспецифично, оно контролируется гормонами, изменяется свозрастом и является одним из механизмов клеточной и половой дифференцировки. Метилирование ДНКконтролирует все генетические процессы (репликация ДНК, репарация, рекомбинация, транскрипция и др.).Нарушение метилирования ДНК и искажение других эпигенетических сигналов приводят к преждевременномустарению и таким заболеваниям, как рак, диабет, астма, различные тяжелые психические расстройства и др.Профиль метилирования ДНК изменяется при канцерогенезе, служит надежным диагностическим признакомразных форм рака уже на ранних этапах канцерогенеза.

Эпигенетические параметры имеют первостепенноезначение для расшифровки механизмов сомаклональной изменчивости, характеристики и идентификации клонови клеточных культур (стволовые клетки) и их направленной дифференцировки. Целенаправленное изменениеметилирования ДНК служит эффективным биотехнологическим средством активации экспрессии генов запасныхбелков семян у растений и, например, наследуемого увеличения белковости зерна пшениц.Необходимость выяснения какова химическая и биологическая специфичностьметилирования ДНК у эукариотических организмов высветила перед биоорганиками важнуюзадачу: разработать подход для выявления участков в ДНК, которые подвергаютсяметилированию.OOC+H3NCH CH2 CH2S-аденозил-L-метионин(AdoMet)+SCH3..NH2(CH2)4NHCHCH2NOONH2NCH3N+N+H3NNH2OHNHCOCHS-аденозил-L-гомоцистеин(AdoHcy)CHCH2 CH2S+(CH2)4HOOCNCH2ONH2NCONNOHHOМонометил-LysLys (или Arg)Давно известно, что канцерогенез и старение сопровождаютсяотклонением от нормы в уровне и характере метилированияДНК.

Но связь этих процессов с пост-трансляционнымимодификациями гистонов была выявлена всего несколько летназад. Оказалось, метилирование Lys-9 в гистоне-3 иметилирование ДНК взаимозависимы. Иными словами, СН3модификацияДНКопределяетсяееэпигенетическимвыключением (т.е. метилированием гистоновых “хвостов”) всоставе хроматина.

Выключение генов, продукты которыхподавляют раковые опухоли, и активация генов, необходимыхдля их роста, происходят одновременно. Расшифровкаспецифического эпигенетического “ракового кода” и “кодастарения” на уровне метилирования ДНК имеет огромноепрактическое значение и уже сейчас может использоваться длядиагностики онкологических заболеваний. Более того,правильно подобрав препараты, в идеале можно изменить“раковый код” и вернуть клетку к нормальному состоянию.гомоцистеинметионинH3N CH COOH3N CH COOCH2N5-метилтетрагидрофоллатCH2CH2CH2SHH3CSHATPаденозин3piH3N CH COOCH2NCH2SCH2 OHHH3N CH COOCH2NH2NNH3CNSCH2 OHSNCH2HHOH OHS-аденозилгомоцистеинNH2CH3S*HNNNHHOH OHS-аденозилметионинЭнзиматическое метилирование ДНККроме5mCвгенетическомматериалепрокариотобнаруживается N4-метилцитозин (4mC).

В отличие от 5mC,4mC не подвергается спонтанному дезаминированию, чтоможет объяснять его преимущественное присутствие в генометермофильных бактерий. N4- метилцитозин обнаружен только упрокариот, где, как и 5-метилцитозин, является компонентомсистемы рестрикции-модификации. Система рестрикциимодификации—ферментативнаясистемабактерий,разрушающая попавшую в клетку чужеродную ДНК.Метильные группы присоединяются к остаткам аденина впоследовательности –GATC-, при этом образуется N6метиладенин.

В течение непродолжительного времени вмолекуле ДНК последовательности -GATC- метилированы поаденину только в матричной, но не в новой цепи. Это различиеиспользуется ферментами репарации для исправления ошибок,которые могут возникнуть при репликации.Ученые из Медицинской школы Йельского Университетаобнаружили новый эпигенетический маркер в ДНКмлекопитающих. Ранее считалось, что этот маркер, 6метиладенин, встречается только у низших эукариот, а умлекопитающих непосредственно в ДНК встраивается толькоодин маркер, - 5-метилцитозин. Более того, данные биологовуказывают на то, что новый маркер играет важную роль вконтроле над половыми хромосомами и может быть связан справильным соотношением полов потомства.Одна из задач биоорганики – разработка для леченияэпигенетических терапевтических агентовНарушение метилирования ДНК и искажение другихэпигенетических сигналов приводят к преждевременномустарению и таким заболеваниям, как рак, диабет, астма,различные тяжелые психические расстройства и др.Гипометилирование ДНК в аберрантно метилированных генах,присутствующее и в регуляторном цикле нормальных клеток, ихдифференциации и клеточной смерти, может вызыватьреэкспрессию гена и восстановление свойств подавленияопухолевого роста у самих раковых клеток.

Разработка мишенейдля лекарственных агентов с целью подавления функцийэффекторных энзимов, модифицирующих хроматин, открываетновые горизонты для лечения рака.Большие надежды возлагаются сегодня на направленноеингибирование активности генов, отвечающих за раковуютрансформацию клеток и метастазирование. Одна из задач,стоящая перед биоорганиками – разработка ингибиторовметилирования ДНК.Метилтрансферазы ДНК могут представлять мишени дляэпигенетической терапии.НА ПУТИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ НАНОТЕРАПИИХотя метод эпигенетической терапии имеет хорошую теоретическуюбазу, отсутствие специфичности в действии агентов дает повод длябеспокойств.Например,аналогинуклеозидовявляютсянеспецифическими ингибиторами ДНК-метилтрансфераз и ингибируютметилирование ДНК во всем геноме.

Существует, следовательно,значительная заинтересованность в поиске новых мишеней для терапии.Особый интерес привлекает сегодня изучение механизмов ибиологической роли метилирования ДНК, направляемого малыми РНК(RNA-directed DNA methylation), которые осуществляют специфическоевыключение генов. Показано также, что именно малые РНК являютсятем самым давно искомым элементом сайт-специфического узнавания,который обеспечивает точное «наведение» цитозиновой de novo ДНКметилтрансферазы на определенные последовательности ДНК.Метилирование ДНК в триплексе РНК-ДНК играет решающую роль взамалчивании генов малыми РНК; у организмов или мутантов сдефектным цитозиновым метилированием ДНК это РНК-замалчиваниегенов неэффективно.Большие надежды возлагаются сегодня на использование специфическихмалых РНК в терапии рака и других болезней, это преимущественносвязывают с направленным ингибированием активности генов,отвечающих за раковую трансформацию клеток и метастазирование.Не удивительно, что от биооргаников требуют создания на основемалых РНК терапевтических наноконструкций, обеспечивающихвозможность направленного воздействия на мишени для терапии.Химическая модификация гетероциклических оснований.Реакции алкилирования по атомам азота гетероциклических оснований.• Изучение действия алкилирующих агентов на НК привлекает большоевнимание; литература, посвященная этому вопросу, весьма обильна и частопротиворечива.

Наиболее полно материал представлен в книге«Органическая химия нуклеиновых кислот» под редакцией Н.К. Кочетковаи Э.И. Будовского.• С одной стороны, многие алкилирующие реагенты являются мутагенами иканцерогенами, а с другой стороны, реакции алкилирования,осуществляемые в мягких условиях, широко используются дляисследования структуры и функции полинуклеотидов. Алкилирующиесоединения используются также в химиотерапии злокачественныхопухолей.• Примеры алкилирующих реагентов• Алкилгалогениды.