Недавно обнаруженный эпигенетический маркер ДНК, 5-формилцитозин, регулирует экспрессию генов во время раннего развития эмбриона.
И белки и ДНК могут нести метки, называемые эпигенетическими маркерами, которые указывают, когда и какие гены будут экспрессироваться. Хотя в случае с белками описано множество таких маркеров, эпигенетические метки в ДНК более трудноуловимы. До недавнего времени в ДНК был идентифицирован только один надежный маркер: добавление метильной группы, которая называется 5-метилцитозином (5mC). Теперь новое исследование показало, что производное 5mC, 5-формилцитозин (5fC), также функционирует как эпигенетический маркер ДНК и влияет на экспрессию генов во время раннего развития. Результаты исследования, опубликованные в журнале Cell, расширяют понимание ученых о том, как модификации ДНК, в дополнение к модификациям белков, могут влиять на клеточные процессы.
«Это исследование в значительной степени возвращает внимание к модификациям ДНК», - считает Альфонсо Беллакоса, генетик из Темпльского университета, не принимавший участия в исследовании. На протяжении десятилетий ученые считали, что 5mC является основной эпигенетической меткой на ДНК, действующей для блокировки генов посредством метилирования. Первоначально ученые считали окисленные производные 5mC, включая 5fC, лишь промежуточными продуктами в процессе деметилирования ДНК и сомневались, что эти метки также могут играть роль в регуляции генов. «Есть ли у них своя функция, оставалось неясным», - говорит соавтор работы Кристоф Ниерс, молекулярный биолог из Института молекулярной биологии в Майнце.
Чтобы охарактеризовать роль этих производных, группа Ниерса изучала развитие эмбрионов лягушки Xenopus. В частности они изучали процесс, называемый активацией зиготического генома, во время которого ооцит переходит от использования материнских генов к экспрессии собственных эмбриональных генов. Исследователи использовали иммунофлуоресценцию, чтобы проследить, как два других производных (5caC и 5hmC) накапливаются в эмбрионе, и выяснить, могут ли они влиять на экспрессию генов. Ученые обнаружили, что на ранних этапах развития 5fC, но не другие производные, накапливаются в структурах, называемых хромоцентрами. Эти хромоцентры располагались в области, которая, как известно, связана с транскрипцией РНК-полимеразы III (Pol III). Когда исследователи изучили, где 5fC накапливается в геноме, они установили, что он уникально обогащен на генах тРНК, которые при транскрипции набирают Pol III и способствуют биосинтезу белка.
Затем авторы исследования изменили уровень 5fC, чтобы посмотреть, как это повлияет на связывание Pol III. Для этого они использовали ферменты TET, которые отвечают за окисление 5mC с образованием 5fC, и фермент тимин ДНК-гликозилазу (TDG), который удаляет 5fC. При введении эмбрионам соединений, нарушающих синтез и выработку 5fC, снижались уровни 5fC, связывания Pol III с целевыми генами и экспрессии тРНК. Аналогично, снижение уровня 5fC путем сверхэкспрессии TDG нарушало связывание Pol III с генами тРНК и подавляло, а не активировало их экспрессию.
Открытие 5fC в качестве второй эпигенетической метки ДНК расширяет представление исследователей о том, насколько значительными могут быть эти изменения. Это может привести к новым направлениям исследований того, как различные модификации ДНК влияют на клеточные процессы. Например, тот факт, что 5fC необходим для активации генов тРНК во время активации зиготического генома на ранних этапах развития эмбрионов, позволяет предположить, что он может играть важную роль в регулировании программ экспрессии генов, необходимых для правильного эмбрионального развития. А поскольку 5fC обогащен активными регуляторными регионами, он может быть важен для поддержания идентичности стволовых клеток и регуляции путей дифференцировки.
Кроме того, 5fC может участвовать в регуляции онкогенов или генов-супрессоров опухолей, отметил Беллакоса. «Было бы интересно посмотреть, действуют ли в этом случае аналогичные механизмы», - сказал он. Если окажется, что 5fC регулирует и другие процессы, то измененные паттерны 5fC могут служить эпигенетическими сигнатурами, которые можно будет использовать в качестве диагностических или прогностических биомаркеров различных заболеваний. Важно будет увидеть, распространяется ли этот механизм на других животных, помимо лягушек. Наконец, еще предстоит выяснить, как именно промежуточный продукт активно влияет на экспрессию генов, добавляет Беллакоса.
