Metylacja DNA to proces, w którym grupa metylowa jest przyłączana do zasady cytozyny cząsteczki DNA i jest głównym sposobem epigenetycznego znakowania DNA. Modyfikacje epigenetyczne mogą działać jak przełączniki włączania i wyłączania, aby regulować ekspresję genów i pomagać w generowaniu różnych typów komórek bez zmiany podstawowej sekwencji DNA. W ten sposób organizm zapewnia, że ​​geny związane z mózgiem nie zostaną włączone w komórkach serca, na przykład.

Z tego powodu utrzymanie wzoru metylacji DNA jest ważne, aby zapewnić prawidłowe i spójne funkcjonowanie każdego typu komórek. Ale to nie jest łatwe zadanie: wzór metylacji DNA może się zmieniać w czasie, a to jest powiązane z wieloma chorobami. Jedną z nich jest rzadka choroba genetyczna zwana zespołem niedoboru odporności, niestabilności centromerowej i anomalii twarzy (ICF), której objawy obejmują nawracające infekcje dróg oddechowych, anomalie twarzy oraz spowolniony wzrost i funkcje poznawcze.

Chociaż wiadomo, że mutacje w CDCA7 gen powoduje zespół ICF, niewiele było wiadomo o molekularnej funkcji genu. Teraz laboratorium Funabiki na Rockefeller University, w ścisłej współpracy z naukowcami z University of Tokyo i Yokohama City University, zidentyfikowało unikalną cechę funkcjonalną CDCA7, która zapewnia dokładne dziedziczenie metylacji DNA.

Naukowcy odkryli, że CDCA7 wyczuwa hemimetylację u eukariotów – ważne odkrycie, ponieważ od dawna uważano, że wyczuwanie hemimetylacji jest wykonywane wyłącznie przez białko o nazwie UHRF1. Opublikowali swoje wyniki w Postępy nauki.

„To niesamowite odkrycie” — mówi współautorka Isabel Wassing, postdoktorantka w Laboratory of Chromosome and Cell Biology, kierowanym przez Hiro Funabiki. „Dowiedzenie się, że CDCA7 działa również jako czujnik, wyjaśnia, dlaczego jego mutacja prowadzi do chorób takich jak zespół ICF i wypełnia poważną lukę w dziedzinie epigenetyki. Ale wprowadziło też nowe pytania. Dlaczego na przykład komórka potrzebuje dwóch różnych czujników hemimetylacji?”

Stan przejściowy

Ogromne cykle podziału komórek, w których komórka rodzicielska dzieli się na dwie identyczne komórki potomne, dają początek bilionom komórek tworzących ludzkie ciało. Ostrożna replikacja i segregacja cząsteczki DNA, zapakowanej w chromosomy, umożliwia dokładne dziedziczenie instrukcji genetycznych do każdej nowej komórki potomnej.

Replikacja DNA to skomplikowany proces. W sercu jądra komórkowego znajduje się chromatyna, kompleks makrocząsteczek składających się z dwuniciowego DNA i białek histonowych, które DNA owija jak sznurek na jo-jo, tworząc nukleosomy. Podczas replikacji dwuniciowy łańcuch DNA rozwija się wokół histonu i dzieli się na dwa pojedyncze łańcuchy; polimerazy DNA zszywają następnie komplementarne nukleotydy przez każdy łańcuch, co skutkuje powstaniem dwóch kopii dwuniciowej cząsteczki DNA.

Jednakże grupy metylowe nie są automatycznie kopiowane na nowo syntetyzowany łańcuch DNA, co czyni go tymczasowo hemimetylowanym: stary macierzysty łańcuch DNA jest metylowany, podczas gdy nowo włączone nukleotydy w potomnym łańcuchu DNA nie są, co sygnalizuje, że wymagane jest utrzymanie metylacji DNA. Rzeczywiście, wykrycie hemimetylacji przez UHRF1 jest kluczowym pierwszym krokiem; białko rekrutuje i aktywuje następnie DNA metylotransferazę DNMT1, która osadza znak metylowy na nowo syntetyzowanym łańcuchu DNA.

Stawka jest wysoka, ponieważ zdolność komórki do wykrycia obecności hemimetylacji ma ściśle określony termin: jeśli hemimetylowany stan DNA nie zostanie rozpoznany przed kolejną rundą replikacji, epigenetyczny znak metylacji zostanie bezpowrotnie utracony.

Problem chromatyny

Naukowcy wiedzą, że dostęp wielu enzymów i białek wiążących DNA jest ograniczony przez chromatynę, w tym tych, które są niezbędne do wprowadzenia metylacji do DNA. Wcześniejsze badania przeprowadzone przez laboratorium Funabiki wykazały, że CDCA7 tworzy kompleks z białkiem kodowanym przez PIEKŁA gen, którego mutacje również powodują zespół ICF. HELLS to tzw. remodeler nukleosomu, który może tymczasowo odwinąć cząsteczkę DNA z nukleosomu.

„Wyobrażaliśmy sobie, że kompleks CDCA7-HELLS jest ważny, aby pomóc komórce pokonać barierę zagęszczonej heterochromatyny i uczynić cząsteczkę DNA dostępną do depozycji metylacji” — wyjaśnia Funabiki. „Ale istnieje wiele różnych remodelerów nukleosomów, które są w stanie odsłonić cząsteczkę DNA w ten sposób. Pozostawało dla nas tajemnicą, dlaczego CDCA7-HELLS jest jedynym kompleksem remodelującym nukleosom bezpośrednio związanym z utrzymaniem metylacji DNA. Teraz, gdy wykazaliśmy, że CDCA7 specyficznie rekrutuje HELLS do hemimetylowanego DNA, w końcu daje to wyjaśnienie”.

W tym nowym modelu CDCA7 rozpoznaje hemimetylowane DNA w chromatynie i rekrutuje do tego miejsca białko HELLS, które, jako czynnik remodelujący nukleosom, przesuwa nukleosom, odsłaniając miejsce hemimetylacji białku UHRF1.

Przekazanie wykrywania hemimetylacji wskazuje, że CDCA7 lepiej wykrywa hemimetylację w gęstej heterochromatynie niż UHRF1. Wyjaśnia to również potrzebę komórek w zakresie dwóch różnych czujników.

Aby te czujniki mogły wykryć hemimetylację, muszą bezpośrednio i selektywnie wiązać hemimetylowany substrat DNA. CDCA7 wydaje się wyjątkowo zdolny do tego, gdy DNA jest owinięte wokół nukleosomu. Bez niego UHRF1 byłby ślepy na sygnał hemimetylacji w cząsteczkach nukleosomu.

Isabel Wassing, współpierwsza autorka

Ta nowa wiedza może pomóc w wyjaśnieniu mechanizmów leżących u podstaw chorób wynikających z dysfunkcyjnej metylacji. W przyszłości będą poszukiwać funkcji czujników hemimetylacji wykraczających poza utrzymanie metylacji DNA.

„Ponieważ wiadomo, że niektóre regiony chromosomowe zachowują status hemimetylacji, ich rozpoznanie przez CDCA7 może mieć znacznie szersze znaczenie w regulacji genów i organizacji chromosomów” — mówi Funabiki. „To ekscytująca możliwość”.