DNA metylacja, niezbędna do regulacji ekspresji genów i funkcji komórek, jest zasadniczo utrzymywana przez CDCA7, który, jak odkryli naukowcy, wykrywa również hemimetylowany DNA, rolę przypisaną wcześniej wyłącznie UHRF1.
Metylacja DNA to proces, podczas którego do zasady cytozynowej cząsteczki DNA dodaje się grupę metylową, co służy jako kluczowy mechanizm znakowania epigenetycznego. Modyfikacje epigenetyczne, takie jak metylacja DNA, działają jak wyłączniki regulujące ekspresję genów, umożliwiając tworzenie różnorodnych typów komórek bez zmiany podstawowej sekwencji DNA. Proces ten gwarantuje, że geny specyficzne dla jednego typu komórek, np. te związane z funkcjonowaniem mózgu, nie zostaną aktywowane w komórkach innych typów, np. komórkach serca.
Z tego powodu utrzymanie wzorca metylacji DNA jest ważne, aby zapewnić prawidłowe i spójne funkcjonowanie każdego typu komórek. Nie jest to jednak łatwe zadanie: wzór metylacji DNA może zmieniać się z biegiem czasu, co jest powiązane z różnymi chorobami. Jednym 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 genu powoduje zespół ICF, niewiele wiadomo na temat funkcji molekularnej genu. Teraz laboratorium Funabiki Uniwersytetu Rockefellera, w ścisłej współpracy z naukowcami z Uniwersytetu Tokijskiego i Uniwersytetu Miejskiego w Jokohamie, zidentyfikowało unikalną cechę funkcjonalną CDCA7, która zapewnia dokładne dziedziczenie metylacji DNA.
Naukowcy odkryli, że CDCA7 wykrywa hemimetylację u eukariontów – co jest ważnym odkryciem, ponieważ od dawna uważano, że wykrywanie hemimetylacji jest przeprowadzane wyłącznie przez białko zwane UHRF1. Wyniki opublikowali w Postęp nauki.
„To całkiem niesamowite odkrycie” – mówi współautorka Isabel Wassing, postdoc w Laboratorium Biologii Chromosomów i Komórki, na którego czele stoi Hiro Funabiki. „Odkrycie, 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 także nowe pytania. Dlaczego na przykład komórka potrzebuje dwóch różnych czujników hemimetylacji?”
Stan przejściowy
Masowe cykle podziału komórkowego, podczas których komórka rodzicielska dzieli się na dwie identyczne komórki potomne, dają początek bilionom komórek tworzących ludzkie ciało. Dokładna replikacja i segregacja cząsteczki DNA upakowanej w chromosomach pozwala na dokładne dziedziczenie instrukcji genetycznych do każdej nowej komórki potomnej.
Replikacja DNA jest trudnym procesem. W sercu jądra komórkowego znajduje się chromatyna, kompleks makrocząsteczek składających się z dwuniciowego DNA i białek histonowych, których DNA owija się niczym sznurek na jo-jo, tworząc nukleosomy. Podczas replikacji dwuniciowa nić DNA odwija się wokół histonu i dzieli się na dwie pojedyncze nici; Polimerazy DNA następnie łączą komplementarne nukleotydy w poprzek każdej nici, w wyniku czego powstają dwie kopie dwuniciowej cząsteczki DNA.
Jednakże grupy metylowe nie są automatycznie kopiowane na nowo zsyntetyzowaną nić DNA, powodując jej tymczasową hemimetylację: stara rodzicielska nić DNA ulega metylacji, podczas gdy nowo włączone nukleotydy w nici potomnej DNA nie są metylowane, co sygnalizuje, że wymagane jest utrzymanie metylacji DNA . Rzeczywiście, wykrycie hemimetylacji przez UHRF1 jest kluczowym pierwszym krokiem; białko następnie rekrutuje i aktywuje metylotransferazę DNA DNMT1, która osadza znacznik metylowy na nowo zsyntetyzowanej nici DNA.
Stawka jest wysoka, ponieważ zdolność komórki do wyczuwania obecności hemimetylacji ma ściśle określony termin: jeśli stan hemimetylacji DNA nie zostanie rozpoznany przed następną rundą replikacji, epigenetyczny znak metylacji zostaje trwale utracony.
Problem chromatyny
Naukowcy wiedzą, że dostęp wielu enzymów i białek wiążących DNA jest ograniczany przez chromatynę, w tym tych niezbędnych do wprowadzenia metylacji do DNA. Wcześniejsze badania laboratorium Funabiki wykazały, że CDCA7 tworzy kompleks z białkiem kodowanym przez PIEKŁA gen, którego mutacje również powodują zespół ICF. HELLS to tak zwany remodeler nukleosomu, który może tymczasowo rozpakować cząsteczkę DNA z nukleosomu.
„Przewidywaliśmy, że kompleks CDCA7-HELLS jest ważny, aby pomóc komórce pokonać barierę zwartej heterochromatyny i udostępnić cząsteczkę DNA do odkładania się metylacji” – wyjaśnia Funabiki. „Ale istnieje wiele różnych remodelerów nukleosomów, które są w stanie odsłonić cząsteczkę DNA w ten sposób. Pozostało dla nas tajemnicą, dlaczego CDCA7-HELLS jest jedynym kompleksem przebudowy nukleosomów bezpośrednio związanym z utrzymaniem metylacji DNA. Teraz, gdy pokazaliśmy, że CDCA7 specyficznie rekrutuje HELLS do hemimetylowanego DNA, dostarcza to wreszcie wyjaśnienia.”
W tym nowym modelu CDCA7 rozpoznaje hemimetylowany DNA w chromatynie i rekrutuje HELLS do tego miejsca, które jako remodeler nukleosomu przesuwa nukleosom z drogi, odsłaniając miejsce hemimetylacji dla UHRF1.
Przekazanie wykrywania hemimetylacji wskazuje, że CDCA7 lepiej wykrywa hemimetylację w gęstej heterochromatynie niż UHRF1. Wyjaśnia także zapotrzebowanie komórki na dwa różne czujniki. „Aby te czujniki mogły wykryć hemimetylację, muszą bezpośrednio i selektywnie wiązać hemimetylowany substrat DNA” – mówi Wassing. „Wydaje się, że CDCA7 jest w stanie to zrobić wyjątkowo, gdy DNA jest owinięte wokół nukleosomu. Bez tego UHRF1 byłby ślepy na sygnał hemimetylacji w cząsteczkach nukleosomu”.
To nowe zrozumienie może pomóc w naświetleniu podstawowych mechanizmów chorób wynikających z dysfunkcyjnej metylacji. W przyszłości będą poszukiwać funkcji czujników hemimetylacji wykraczających poza utrzymanie metylacji DNA.
„Ponieważ wiadomo, że niektóre regiony chromosomów zachowują status hemimetylacji, ich rozpoznanie przez CDCA7 może odgrywać znacznie szerszą rolę w regulacji genów i organizacji chromosomów” – mówi Funabiki. „To ekscytująca możliwość”.
Odniesienie: „CDCA7 to ewolucyjnie konserwowany hemimetylowany czujnik DNA u eukariotów” autorstwa Isabel E. Wassing, Atsuya Nishiyama, Reia Shikimachi, Qingyuan Jia, Amika Kikuchi, Moeri Hiruta, Keita Sugimura, Xin Hong, Yoshie Chiba, Junhui Peng, Christopher Jenness, Makoto Nakanishi, Li Zhao, Kyohei Arita i Hironori Funabiki, 23 sierpnia 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.adp5753
