Метилирование промотора не всегда выключает ген

Метилирование цитозинов ДНК в позициях CpG — стабильная эпигенетическая модификация генома. В геномах млекопитающих большая часть этих цитозинов несет метильную метку. Однако CpG-островки регуляторных участков, в том числе промоторов, напротив, деметилированы. Между уровнем их метилирования и активностью гена существует обратная корреляция, и считается, что метилирование промоторов приводит к сайленсингу гена. Это дает возможность использовать данную модификацию в исследовательских и клинических целях.

Метилирование промоторных CpG-островки делает гены недоступными для транскрипции: оно препятствует связыванию транскрипционных факторов с ДНК либо способствует связыванию ингибиторов транскрипции. Однако выводы об эффекте метилирования в большинстве своем основываются на корреляционных данных.

Исследователи из Австралийского университета подробнее изучили влияние метилирования на экспрессию генов. Для этого они метилировали регуляторные области с помощью химерной конструкции, которую назвали ZF-D3A: каталитический домен ДНК-метилтрансферазы 3А присоединили к цинковому пальцу, который распознает сайты метилирования в промоторах. Преимущество этой конструкции по сравнению с другими, полученными ранее, в том, что она позволяет индуцировать метилирование регуляторных участков в масштабах всего генома, а не в отдельных участках.

С помощью ZF-D3A авторы одновременно прометилировали тысячи регуляторных участков ДНК клеток линии MCF-7.

Затем оценили степень ингибирования экспрессии соответствующих генов, степень открытости хроматина, модификации гистонов и степень дальнейшей потери метилирования, для чего использовали секвенирование РНК, методы ATAC-seq, ChIP-seq и бисульфитное секвенирование.

Хотя примерно в половине всех случаев транскрипция действительно была подавлена, многие гены, содержащие в регуляторных участках островки CpG, не подверглись репрессии. Это доказывает неоднозначность действия метилирования на экспрессию генов. Кроме того, хотя метилирование и снизило степень открытости хроматина, однако недостаточно для того, чтобы он полностью перешел в плотноупакованное состояние и стал недоступным для транскрипции. Кроме того, при метилировании промотора иногда начинает использоваться альтернативный промотор.

Также наблюдались случаи обратного действия метилирования — экспрессия определенных генов активировалась. Возможно, их активность была подавлена чувствительными к метилированию репрессорами транскрипции. Активацию могло также вызывать изменение аффинности связывания транскрипционных факторов с ДНК.

Одним из важных результатов работы стал список промоторов, которые с большой вероятностью будут репрессированы под действием метилирования. Эти данные будут способствовать дальнейшему изучению влияния метилирования на конкретные гены, а также ускорит применение метилирования в клинической практике, предполагают авторы.