اشاره
این نوشته، دریچهای است به شناخت نقش تغییرات اپیژنتیک در تنظیم بیان ژن و مکملی است برای مبحث تنظیم بیان ژن کتاب زیستشناسی سال چهارم.
مقدمه
وقوع بسیاری از بیماریها از قبیل سرطان، دیابت ملیتوس(شیرین) و اسکلرودرما (بیماری خودایمن اسکرودرما) با بینظمی در بیان ژن که خود نتیجهٔ ناهنجاریهای ژنتیک و اپیژنتیک است، ارتباط دارد. ناهنجاریهای ژنتیک از سه عامل ناشی میشوند: جهشهای نقطهای1، بسط ژن2 یا تغییر در پروموتر (معمولاً ناشی از بازآرایی کروموزومی)؛ درحالیکه تغییرات اپیژنتیک شامل متیلاسیون، دِاستیلاسیون ژنها و متیلاسیون پروتئینهای هیستونی است و بدون تغییر در توالی DNA، باعث تنظیم بیان ژن در پاسخ به تغییرات محیط و رسیدن به ضروریات تکاملی میشوند. در واقع، تغییرات اپیژنتیک به اندازهٔ تغییرات ژنتیک در بیان ژن و کنترل بروز زودرس بیماریها حائز اهمیتاند. با اینکه متیلاسیون DNA برای نخستین بار در 1983 شناسایی شد، اکنون دانش ما از متیلاسیون رشد فراوان یافته است.
کلیدواژهها: تغییرات اپیژنتیک، متیلاسیون DNA، DNA متیل ترانسفرازها،جزایر microRNA ،CPG سرطان.
متیلاسیون DNA
در سال 1990، جونز3 و همکارانش به درکِ نوینی از اپیژنتیک رسیدند. آنان اپیژنتیک را «تنظیم بیان ژن بدون تغییر در توالی آن» تعریف کردند. بر این اساس، اپیژنتیک پدیدهای انعطافپذیر و موروثی است که بیان تعدادی از ژنها را تنظیم میکند. گرچه متیلاسیون DNA عمومیترین تغییر در اپیژنتیک است، اما مودیفیکاسیون (تغییر) هیستونها، شامل استیلاسیون و داستیلاسیون نیز در این کار دخالت دارند.
متیلاسیون DNA نوعی تغییر کووالان است که طی آن در ژنوم یک گروه متیل از طریق - S آدنوزیل متیونین4 به یک سیتوزین متصل میشود. این فرایند طی یک واکنش آنزیمی پس از همانندسازی DNA رخ میدهد. در سلولهای پستانداران، متیلاسیونDNA معمولاً به موقعیت ۵ حلقه پیریمیدین واحدهای سیتوزین که در دینوکلئوتیدهایCpG 5 واقع شدهاند، محدود میشود. گروه متیل در شیار بزرگ، خارج از مارپیچ مضاعف DNA قرار دارد. این گروه در جفت شدن بازها تداخل ایجاد نمیکند. بنابراین، ۵- متیل سیتوزین درست مشابه با سیتوزینِ تغییرنیافته با گوانین جفت میشود؛ اما گروه متیل بهعنوان سیگنالی عمل میکند که توسط پروتئینهای خاص متصلشونده به CpG متیله شده تشخیص داده میشود. CpGهای متیله در تنظیم ساختار کروماتین و بیان ژن ایفای نقش میکنند و در حافظه اپیژنتیک از اهمیت زیادی برخوردارند. دینوکلئوتیدهای CpG به فراوانی در جزایر CpG، که نواحی غنی از جایگاههای CpG هستند، خوشهبندی میشوند. این جزایر به طول Kb ۳-۵/۰ بهطور متوسط در هر Kb 100 ژنوم و بهطور متوسط در نیمی از همه ژنهای انسانی یافت میشوند. بهنظر میرسد متیلاسیون سایر CpGها فاقد عملکردهای زیستی باشد.
چهار نوع DNA متیل ترانسفرازDNMT) )6 شامل انواعDNMT1، DNMT3A، DNMT3Bو DNMT3L یافت شدهاند (جدول 1). DNMTها میزان متیلاسیون ژنوم را کنترل میکنند: DNMT1 برای حفظ متیلاسیون ضروری است و DNMT3A و DNMT3B متیلاسیون ازنو7 را تحقق میبخشند. DNMT3 فعالیت آنزیمی ندارد؛ اما عملکرد سایر متیل ترانسفرازها را تنظیم میکند. .
جدول 1
متیلاسیون DNA پدیدهای است که بعد از همانندسازی رخ میدهد. بنابراین، زمانی که DNA تکثیر میشود، اگر یک رشته دارای یک CpG متیله شده باشد، رشته مکمل تازه سنتز شدهٔ آن نیز CpG خواهد داشت؛ اما بهصورت غیر متیله. متیل ترانسفراز حفاظتی DNMT1 اینچنین توالیهای همی متیله شده را به همتاهای کاملاً متیله شدهشان تبدیل میکند (شکل 1). این متیلاسیون حفاظتی، مکانیسم اصلی (یا حداقل بهتر شناختهشده) حافظه اپیژنتیک است. آنزیمهای DNMT3A و DNMT3B متیل ترانسفرازهای ازنو هستند که میتوانند هر توالی CpG مناسب را متیله کنند.
اپیژنتیک پدیدهای انعطافپذیر و موروثی است که بیان تعدادی از ژنها را تنظیم میکند
شکل1. متیلاسیون حفاظتی DNA، متیل ترانسفراز حفاظتی DNMT1 اینچنین توالیهای همی متیله شده را به همتاهای کاملاً متیلهشدهشان تبدیل میکند.
افزایش سطوح DNMT3B، یافته زودهنگام در بسیاری از لاینهای سلولی توموری و نیز در انواع سرطانهای انسانی است. غیرفعال شدن ژنهای بازدارنده تومور در کانون توسعه همه اشکال عمومی سرطانهای انسانی است. این غیرفعال شدن عموماً از خاموشی اپیژنتیک در همراهی با هیپرمتیلاسیون ناشی میشود. براثر دستکاری ژن DNMT۳b در لاین سلولی سرطان کلورکتال انسانی، با کمال تعجب مشاهده میشود که متیلاسیون DNA به کمتر از ۳٪ کاهش مییابد. با وجود این، تخریب همزمان DNMT1 و DNMT3b متیلاسیون DNA ژنومی را به میزانی بیش از ۹۵٪ کاهش میدهد.
سطوح عادی و غیرعادی متیلاسیون
سطح تغییرات متیلاسیون طی رشد بدن انسان و پیشرفت بیماریها و نیز متیلاسیون در بافتهای گوناگون به نحو فراوانی متفاوت است. بهطور طبیعی، حدود ۵۰٪ از جزایر CpG که در ناحیه راهانداز12 ژنهای خانهدار13 قرار دارند، غیر متیله و درنتیجه فعالاند. زمانی که این CpGها متیله میشوند، ژن نظیر آنها خاموش میشود. با وجود این، CpGهایی واقع در دیگر نقاط ژنها یافت میشوند که در صورت متیله شدن رونویسی را تحت تأثیر قرار نمیدهند. در صورت تغییر ریتم و آهنگ متیلاسیون، بیماریهای فراوانی گسترش مییابند که ازجملهٔ آنها میتوان به سندرم X شکننده14، سندرم ATR-X15، سندرم ویلیامز16 و سندرم پرادر ویلی17 اشاره کرد. بهطور معمول، حالات غیرعادی متیلاسیون دو جنبهٔ هیپرمتیلاسیون18 و هیپومتیلاسیون19 را دربرمیگیرند.
زمانی که DNAتکثیر میشود، اگر یک رشته دارای یک CpGمتیله شده باشد، رشتهٔ مکمل تازه سنتز شدهٔ آن نیز CpGخواهد داشت
نقش متیلاسیون در تنظیم رونویسی
پس از وقوع متیلاسیون، کروموزومها پایدار میشوند و فعالیت آنها کاهش مییابد. متیلاسیون، بیان ژن را با دو مکانیسم جداگانه مهار میکند:
é ممانعت مستقیم20: در این مکانیسم از رونویسی کروموزوم متیله شده ممانعت میشود.
é ممانعت غیرمستقیم21: در این مکانیسم، دو نوع از پروتئینها شامل پروتئینهای وابسته به متیلاسیون22 (MBDs) و هیستون داستیلازها (HDAC23) در سطح کروموزوم به خدمت گرفته میشوند. پروتئینهای MBD دارای یک دمین متصلشونده به متیل – CpG هستند که نواحی متیله شده DNA را شناسایی میکنند و به آنها متصل میشوند. پس از اتصالMBDها، پروتئینهای دیگری که وابسته به ساختارهای مهارگر هستند، از جمله هیستون داستیلازها، فراخوانی میشوند. انسان دارای پنج نوع پروتئین MBD است شامل 4-MBD1 و MECP2 . فقدان عملکرد MECP2 سبب ایجاد سندرم رت24 میشود. این سندرم وضعیت عجیبی است که در آن دختران هتروزیگوت بهطور طبیعی رشد میکنند؛ اما پس از آن دچار سیر قهقرایی میشوند. ژن رمزکننده MECP2 وابسته به X است و جهشهای آن معمولاً در مردان کشنده است. متیلاسیون DNA در بیماران مبتلا به سندرم رت، بهطور عادی ادامه مییابد؛ اما در نتیجه عدم حضور پروتئین MECP2 در سلولهایی که کروموزوم X عادی را غیرفعال کردهاند، برخی سیگنالها بهدرستی تشخیص داده نمیشوند.
MBDها همچنین میتوانند از نزدیکی فاکتورهای رونویسی و کوفاکتورها ممانعت کنند. درنتیجه، این فاکتورها نمیتوانند به راهانداز ژن متصل شوند که نتیجه آن توقف رونویسی است. HDAC نیز در ناحیه DNA متیله شده به خدمت گرفته میشود که در آنجا ضمن تحت تأثیر قرار دادن فعالیت راهانداز، آمینواسیدهای لیزین هیستونهای 3 و 4 را داستیله میکند. در نتیجه، پذیرش پروتئینهای مورد نیاز برای شروع رونویسی بلوکه میشود. ژنهای دارای پروموترهای غیر متیله25 با جزایر CpG فعال، در جایگاههای آغاز رونویسی دارای فاکتورهای رونویسی هستند. آغاز نسخهبرداری در چنین شرایطی از طریق عناصر پاییندست متیله شده26 و در مواردی پوشیده شده با پروتئینهای MBD و HDAC امکانپذیر میشود.
در مورد ژنهای همیشه خاموش، مانند ژن اثرگذار27 یا ژن واقع بر کروموزوم Xغیرفعال، پروموتر متیله شده است. نتیجهٔ این فرایند، اتصالMBDها، HDACها و سایر مهارکنندههای رونویسی و متعاقب آن، تراکم کروماتین است. در نتیجه، فاکتورهای رونویسی که بهطور معمول بیان ژن را تنظیم میکنند، قادر به دسترسی به راهانداز ژن نیستند (شکل2).
بهطورکلی، متیلاسیون و داستیلاسیون در پیوند با بیان ژن عمل میکنند؛ اما متیلاسیون واقعهای متقدم در این فرایند است. با وجود این، تحت برخی شرایط، داستیلاسیون مقدمه وقوع متیلاسیون است.
متیلاسیون چگونه حفظ و القا میشود؟
اگرچه اهمیت متیلاسیون شناخته شده و تحقیقات دربارهٔ آن در حال انجام است، هنوز به روشنی علت وقوع متیلاسیونهای غیرعادی را نمیدانیم. از آنجا که متیلاسیون توسط DNMTها کاتالیز میشود، تغییر در این آنزیمها پیامدهایی خواهد داشت. با حذف DNMT1، سطح متیلاسیون کل ژنوم تا ۳٪ و با حذف DNMT3 تا ۴٪ کاهش مییابد؛ اما با حذف هر دو این آنزیمها سطح متیلاسیون تا ۹۸٪ کاهش مییابد. بنابراین،DNMTها برای متیلاسیون حائز اهمیتاند؛ اما با وجود این، فعالیت آنها تحت تأثیر بسیاری از فاکتورها ازجمله پرتوها و دما قرار دارد. از آنجا که سلولهای نزدیک سطح بدن با سهولت بیشتری از محیط پیرامون متأثر میشوند، متیلاسیون سلولهای پوست غالباً از تنظیم خارج میشود. بهعلاوه، آلودگی میتواند به متیلاسیون غیرطبیعی منجر شود. آلودگی با هلیکوباکتر پیلوری28 در معده که عامل بروز سرطانهاست، با تغییراتی در متیلاسیون DNA همراه است. کشیدن سیگار نیز بهعنوان عامل خطر، میتواند در بسیاری از ژنها متیلاسیون را القا کند. مطالعهای نشان داده است که مصرف غذاهای فاقد فولیک اسید به برنامههای پیچیدهٔ متیلاسیون منجر میشود و احتمال سرطان را افزایش میدهد.
سطح تغییرات متیلاسیون طی رشد بدن انسان و پیشرفت بیماریها و نیز متیلاسیون در بافتهای گوناگون به نحو فراوان متفاوت است
شکل2. چگونگی مهار بیان ژن براثر متیلاسیون
متیلاسیون DNA و سرطان
این موضوع پذیرفتهشده است که سرطان نتیجهٔ بسیاری از وقایع ازجمله وقایع ژنتیک، اپیژنتیک و غیره است. از سال 1983، اپیژنتیک بخش اعظم توجه تحقیقات با توجه ویژه به متیلاسیون را به خود معطوف داشته است. الگوهای غیرطبیعی در متیلاسیون DNA عموماً در بسیاری از بیماریها دیده میشوند. خواه بهعنوان نتیجهای از افزایش بیان DNMT یا وقوع هیپرمتیلاسیون در راهاندازهای ویژهٔ سلولهای سرطانی، الگوی چرخهٔ سلولی، آپوپتوز و بروز تغییرات در ترمیم DNA، شاهد انحراف متعاقب در تمایز و اتصالات سلولها هستیم که عموماً مشخصه بیماریهاست. گزارش شده است که ۴۸٪ از تومورها حاصل از دست رفتن هتروزیگوسیتیLOH)29) است و این در حالی است که ۱۴٪ از تومورها حاصل ناپایداری میکروساتلایتی (MSI30) هستند و اقلیتی از تومورها (حدود۳٪) با LOH همپوشانی دارند. حدود یکسوم از تومورها (۳۸٪) نه حاصل MSI و نه LOH هستند ( شکل 3).
شکل3. فاکتورهای گسترش سرطان
اگرچه اهمیت متیلاسیون شناخته شده و تحقیقات دربارهٔ آن در حال انجام است، هنوز بهروشنی علت وقوع متیلاسیونهای غیرعادی را نمیدانیم
هنگام بروز متیلاسیون DNA غیرعادی، رخ دادن چهار حالت محتمل است:
- غیرفعال شدن ترمیم جفت شدن بازی اشتباه31
- ناپایداری کروموزومها32
- هیپومتیلاسیون ژنهای سرطانی33
- هیپرمتیلاسیون ژنهای بازدارنده تومور34
بهعنوان نمونه، مشخص شده است که در سرطان کلورکتال، درجات معینی از متیلاسیون در شش ژن بازدارندهٔ تومور یا مارکرهای ژنی (PTEN35، TIMP336، RUNX337،HIC138 ،APC39 وARβ240) در ترکیب با ناپایداری کروموزومی و میکروساتلایتی مشاهده میشود. بهعلاوه، مشخص شده است که الگوهای هیپومتیلاسیون ژنوم در گسترش سرطان با الگوهای هیپرمتیلاسیون مشارکت دارند. ضمناً بررسیها نشان میدهند که متیلاسیون میتواند نشانهای برای قضاوت در مورد انتقال سرطان به سایر بافتها باشد.
اخیراً نیز اثرهای متیلاسیون DNA و miRNA در برخی سرطانها، از جمله سرطان معده بهطور قابل ملاحظهای مورد مطالعه قرار گرفته است. ژنهای فراوانی که بهطور اختصاصی در سرطان معده متیله میشوند، جزء miRNAها و siRNAها هستند سرطان مری نیز ازجمله سرطانهایی است که اثر متیلاسیون ژنهای متعددی در بروز آن مورد بررسی قرار گرفته است که از جمله این ژنها میتوان به SST،TAC141،Reprimo42، NELL143 و MGMT44 اشاره کرد. درعینحال، تلاشهای گستردهای در زمینهٔ درک ارتباط بین الگوهای ناهنجار متیلاسیون CpG و نقش آن در رونویسی ژن بهعمل آمده است. مطالعات نشان میدهند که373- miR به لحاظ عملکردی با هدف قرار دادن 3’UTR، بیان ژن MBD2 را تنظیم میکند (شکل4).
شکل 4: تنظیم دوجانبه بین373- miR و MBD2 است.
CPG از طریق حلقه خودتنظیمی متیلاسیون MBD2، یک هدف مستقیم رونویسی و تنظیمکننده منفی 373-MiR
SAM: S- آدنوزیل متیونین
DNMTs: DNA متیل ترانسفرازها
ارتباط وقوع، یا خاموشی متیلاسیون برخی miRNAها نیز با ایجاد سرطان مورد بررسی قرار گرفته است. بهعنوان مثال، تحقیقات نشان میدهند که خاموشی متیلاسیون ژنهای miRNAها به انضمام ژنهای کدکننده پروتئین، ممکن است به ایجاد یک زمینه نقص برای سرطانهای معده کمک کند. تنظیم کاهشی212- miR از طریق ژن هدف آن MECP2، ممکن است با سرطان معده در ارتباط باشد. همچنین، هیپرمتیلاسون124-miR در سرطان معده دیده میشود. miRNA وc miR-34c ، ژنهای بازدارنده تومور جدیدی هستند که در سرطان معده به دنبال هیپرمتیلاسیون خاموش میشوند. همچنین، مشخص شده است که متیلاسیون MiRNA-10b یک نشانگر مولکولی زیستی برای سنجش خطر گسترش سرطان معده است.
در مجموع میتوان گفت از آنجا که انکوژنها و ژنهای بازدارنده تومور میتوانند نقشهایی مهم در سرطان داشته باشند و با توجه به اینکه متیلاسیون میتواند بیان ژن را مهار کند، سطح متیلاسیون ژنهای خاص در سرطان، میتواند انعکاسی از این موضوع باشد که ژن مذکور یک انکوژن است یا یک بازدارندهٔ تومور.
هنگام رویارویی با سرما در انسان سطوح کورتیزول افزایش قابل توجهی پیدا میکند.
پینوشتها
1. point mutations
2. gene amplification
3. Jones
4. S-adenosylmethionine
5. 5'—C—phosphate—G—3'
6. DNA methyltransferases
7. de novo methylation
8. Maintenance methylation
9. Proliferating Cell Nuclear Antigen
10. Heterochromatin Protein 1
11. De novo
12. promoter
13. housekeeping genes
14. Fragile-X syndrome
15. ATR-X syndrome
16. Williams syndrom
17. Prader Willi syndrom
18. hypermethylation
19. hypomethylation
20. direct inhibition
21. indirect inhibition
22. methylation-binding proteins (MBDs)
23. histone deacetylase (HDAC)
24. Rett syndrome
25. open lollipops
26. closed lollipops
27. imprinted gene
28. Helicobacter pylori
29. loss of heterozygosity
30. microsatellite instability
31. mismatch repair
32. instability of chromosomes
33. oncogenes
34. tumor suppressor genes
35. Phosphatase And Tensin: 10q23.31
36. TIMP Metallopeptidase Inhibitor 3: 22q12.3
37. Runt-Related Transcription Factor 3: 1p36.11
38. Hypermethylated In Cancer 1: 22q11.21
39. Adenomatous Polyposis Coli: 5q22.2
40. retinoic acid receptor beta 2: 3q24.2
41. somatostatin: 3q28
42. tachykinin-1: 7q21.3
43. nel-like 1: 11p15
44. O-methylguanine-DNA methyltransferase: 10q26
منابع
1. استراخان،1391، ژنتیک مولکولی انسانی،دکتر محمدتقی اکبری، دکتر هادی شیرزاد،دکتر حامد اقدم، معصومه عسگری، سعیده مجیدی، انتشارات برای فردا
Strakhan,T.Human Molecular Genetics
2. Li XQ, Guo YY, De W( 2012 ). DNA methylation and microRNAs in cancer. World J Gastroenterol. doi: 10.3748/wjg.v18.i9.882
3. Naoyuki Hayashi, Masahiko Kobayashi, Awad Shamma, Yoko Morimura, et al( 2013 ). Regulatory interaction between NBS1 and DNMT1 responding to DNA damage. J Biochem. doi: 10.1093/jb/mvt071
4. N. Shaun B. Thomas( 2012 ).The STAT3-DNMT1 connection. JAKSTAT. doi: 10.4161/jkst.22436
5. Schneider K, Fuchs C, Dobay A, Rottach A, Qin W, Wolf P, Álvarez-Castro JM, et al( 2013 ). Dissection of cell cycle-dependent dynamics of Dnmt1 by FRAP and diffusion-coupled modeling.Nucleic Acids Res. doi: 10.1093/nar/gkt191
6. Jurkowska RZ, Rajavelu A, Anspach N, Urbanke C, et al( 2011 ). Oligomerization and binding of the Dnmt3a DNA methyltransferase to parallel DNA molecules: heterochromatic localization and role of Dnmt3L. J Biol Chem. doi: 10.1074/jbc.M111.254987
7. Rhee I, Bachman KE, Park BH, Jair KW, Yen RW, Schuebel KE, Cui H, Feinberg AP,et al( 2002 ). DNMT1 and DNMT3b cooperate to silence genes in human cancer cells.Nature. 416(6880):552-6
8. Ooi SK, Qiu C, Bernstein E, Li K, Jia D, Yang Z, Erdjument-Bromage H, Tempst P,et al( 2007 ). DNMT3L connects unmethylated lysine 4 of histone H3 to de novo methylation of DNA.Nature.448(7154):714-7
9. Zamudio NM, Scott HS, Wolski K, Lo CY, Law C, Leong D, Kinkel SA, Chong S,et al( 2011 ). DNMT3L Is a Regulator of X Chromosome Compaction and Post-Meiotic Gene Transcription. PLoS One. doi: 10.1371/journal.pone.0018276
10. Z Jin, Y Mori, J Yang, F Sato1, T Ito, Y Cheng, B Paun, JP Hamilton, T Kan1,et al(2007). Hypermethylation of the nel-like 1 gene is a common and early event and isassociated with poor prognosis in early-stage esophageal adenocarcinoma .Nature.0950-9232/07
11. Kuester D, El-Rifai W, Peng D, Ruemmele P, Kroeckel I, Peters B, Moskaluk CA, Stolte M, Mönkemüller K,et al( 2009 ). Silencing of MGMT expression by promoter hypermethylation in the metaplasia-dysplasia-carcinoma sequence of Barrett's esophagus. Cancer Lett. doi: 10.1016/j.canlet.2008.10.009
12. Jin Z, Olaru A, Yang J, Sato F, Cheng Y, Kan T, Mori Y, Mantzur C, Paun B, Hamilton JP,et al( 2007 ). Hypermethylation of tachykinin-1 is a potential biomarker in human esophageal cancer. Clin Cancer Res. Research.doi:10.1158/1078-0432.CCR-07-0818
13. James P. Hamilton,1Fumiaki Sato, ZheJin, Bruce D. Greenwald, Tetsuo Ito,et al( 2006 ). ReprimoMethylationIs aPotentialBiomarkerofBarrett’s-AssociatedEsophagealNeoplastic Q2 Progression. Clin Cancer Res. doi:10.1158/1078-0432.CCR-06-1781
14. Chen.Y, Luo.J, Yang.GY,et al(2012). Mutual regulation between microRNA-373 and methyl-CpGbinding
domain protein 2 in hilar cholangiocarcinoma. World J Gastroenterol. 18(29): 3849-3861
15. www.nature.com
16. www.protein.osaka-u.ac.ip/physiology/seirihp1.html
17. www.ncbi.nlm.nih.gov/gene
18. www.genecards.org
19. www.uniport.org
20. www. abcam.com
21. www.photonics.com
22. www. en.wikipedia.org
بهارک بلالایی
کارشناس ارشد ژنتیک
معلم زیستشناسی رشت