Oxidized form of 5-methylcytosine - 5-hydroxymethylcytosine: a new insight into the biological significance in the mammalian genome

Cover Page

Abstract


The present review summarizes data on 5-hydroxymethylcytosine - a modification of cytosine with a recently discovered epigenetic effect. The biochemical mechanisms of 5-hydroxymethylcytosine formation and further modification in the mammalian genome are discussed; the role of 5-hydroxymethylcytosine in the epigenetic reprogramming during mammalian gametogenesis and early embryogenesis as well as in the regulation of gene expression is analyzed; data on the diseases and the adverse environmental factors, linked to the DNA hydroxymethyaltion disruptions is shown.

Введение Ключевую роль в дифференциальной работе генома млекопитающих играет эпигенетическое маркирование ДНК и гистоновых белков. До недавнего времени единственной стабильной эпигенетической модификацией ДНК млекопитающих считалось метилирование цитозина с образованием 5-метилцитозина. Однако оказалось, что 5-метилцитозин является лишь одним из компонентов эпигенетической регуляторной сети. В 2009 году было установлено, что в состав последней, помимо 5-метилцитозина, входят продукты его окисления, образующиеся в процессе деметилирования ДНК: 5-гидроксиметилцитозин, 5-формилцитозин и 5-карбоксилцитозин (Ito et al., 2010; Tahiliani et al., 2009). Открытие новых вариантов эпигенетических модификаций цитозина в ДНК положило начало изучению их биологического значения. На сегодняшний день основное внимание уделяется исследованию продукта окисления 5-метилцитозина I степени (то есть его гидроксильной формы) - 5-гидроксиметилцитозина, как наиболее стабильной эпигенетической модификации. За короткое время с момента открытия 5-гидроксиметилцитозина не накоплено достаточно данных, позволяющих однозначно судить о его функциональном значении в геноме млекопитающих. Многие вопросы о роли 5-гидроксиметилцитозина в онтогенезе человека до сих пор остаются спорными или не имеют ответа. К настоящему моменту установлено участие 5-гидроксиметилцитозина в процессе репрограммирования генома в гаметогенезе и раннем эмбриональном развитии млекопитающих (Iqbal et al., 2011; Salvaing et al., 2012; Stroud et al., 2011; Szulwach et al., 2011; Wossidlo et al., 2010), изучается его регуляторная функция при экспрессии генов (Ficz et al., 2011; Pastor et al., 2011), описана взаимосвязь между действием внешних факторов и количеством в геноме 5-гидроксиметилцитозина (Jefferson et al., 2013; Song, He, 2012; Thomson et al., 2012). Все эти наблюдения свидетельствуют о важности дальнейшего изучения биологической роли гидроксильной формы 5-метилцитозина и систематизации уже имеющихся фактов. Открытие 5-гидроксиметилцитозина 5-гидроксиметилцитозин был выявлен в составе ДНК бактериофага Т-4 более 60 лет назад (Wyatt, Cohen, 1952). Оказалось, что замена цитозина на 5-гидроксиметилцитозин, который может подвергаться гликозилированию, способствует защите ДНК бактериофага от разрушения рестриктазами бактерий (Hattman, Fukasawa, 1963; Kornberg et al., 1959; Shedlovsky, Brenner, 1963;). Интересно, что образование 5-гидроксиметилцитозина у бактериофагов происходит не путем модифицирования ДНК in situ, а за счет встраивания в геном вируса в процессе синтеза ДНК гидроксиметилдезоксицитидинтрифосфата вместо дезоксицитидинтрифосфата (Kornberg et al., 1959). У млекопитающих 5-гидроксиметилцитозин был описан в начале 70-х годов прошлого века при изучении ДНК, выделенной из мозга крыс и мышей (Penn et al., 1972). Было установлено, что 5-гидроксиметилцитозин составляет около 15 % от общего числа остатков цитозина. Однако открытие не привлекло должного внимания в связи с безуспешностью попыток воспроизвести результаты этого исследования (Kothari, Shankar, 1976). На протяжении многих лет исследователи считали 5-гидроксиметилцитозин случайным продуктом оксидативного повреждения ДНК (Kothari, Shankar, 1976; Steinberg et al., 1992; Valinluck, Sowers, 2007). Наличие 5-гидроксиметилцитозина в геноме млекопитающих было подтверждено в 2009 году. Методами тонкослойной хроматографии, жидкостной хроматографии высокого давления и масс-спектрометрии было показано, что 5-гидроксиметилцитозин присутствует в клетках мозга мыши и не является случайным продуктом повреждения ДНК (Kriaucionis, Heintz, 2009). В это же время еще одна группа исследователей (Tahiliani et al., 2009) продемонстрировала наличие 5-гидроксиметилцитозина в эмбриональных стволовых клетках мыши, а также установила биохимические пути, связывающие 5-гидроксиметилцитозин с уже известной и хорошо изученной эпигенетической модификацией ДНК - 5-метилцитозином. Эти открытия дали начало целой серии исследований роли 5-гидроксиметилцитозина в геноме млекопитающих. Биохимические превращения 5-гидроксиметилцитозина В геноме млекопитающих 5-гидроксиметилцитозин образуется в результате гидроксилирования входящего в состав ДНК 5-метилцитозина. Реакция осуществляется за счет энзиматической активности белков семейства TET (Ten-Eleven-Translocation) (Tahiliani et al., 2009). Белки ТЕТ являются 2-оксоглутарат- и Fe (II)-зависимыми диоксигеназами, гомологичными белкам трипаносомы JBP1 и JBP2 - оксидазам метильной группы тимина (Cliffe et al., 2009; Yu et al., 2007). На основе этой гомологии была предположена, а впоследствии и доказана способность белков ТЕТ окислять метильную группу 5-метилцитозина (Tahiliani et al., 2009). В семейство TET входят три белка: TET1, TET2 и TET3, которые обладают окислительной активностью и участвуют в превращении 5-метилцитозина в 5-гидроксиметилцитозин в условиях in vivo и in vitro (Ito et al., 2010). Субстратом для ТЕТ1 может служить полностью метилированная и полуметилированная (или гемиметилированная) ДНК, причем метилированный цитозин распознается не только в составе CpG динуклеотидов, но и в других последовательностях ДНК (Ficz et al., 2011; Pastor et al., 2011; Tahiliani et al., 2009). Белки ТЕТ характеризуются тканевой специфичностью, что указывает на их разные функции в онтогенезе млекопитающих. Так, большое количество белков ТЕТ1 и ТЕТ2 обнаружено в эмбриональных стволовых клетках мыши, а белок ТЕТ3 - в ооцитах и зиготах (Ito et al., 2010). Белки семейства ТЕТ содержат несколько консервативных доменов, в том числе домен CXXC, обладающий сильным сродством к кластерам неметилированных CpG динуклеотидов, и каталитический домен, типичный для 2-оксоглутарат- и Fe (II)-зависимых диоксигеназ. Вызванные мутациями изменения структуры Fe (II)-связывающего домена белков ТЕТ приводят к утрате их энзиматической активности (Ito et al., 2010; Tahiliani et al., 2009). Супрессию каталитической функции белков ТЕТ также вызывает 2-гидроксиглутарат, являющийся конкурентным ингибитором 2-оксоглутарат-зависимых диоксигеназ (Xu et al., 2011). Было предположено, что белки ТЕТ способны окислять не только 5-метилцитозин до 5-гидроксиметилцитозина, но и образовывать продукты окисления II и III степени: карбонильную форму 5-метилцитозина (5-формилцитозин) и карбоксильную форму 5-метилцитозина (5-карбоксилцитозин). Это предположение было доказано в 2011 году в двух независимых сериях экспериментов (He et al., 2011; Ito et al., 2011). 5-формилцитозин и 5-карбоксилцитозин были обнаружены в геноме эмбриональных стволовых клеток мыши, хотя их содержание оказалось значительно ниже, чем 5-гидроксиметилцитозина (He et al., 2011; Ito et al., 2011; Pfaffeneder et al., 2011). В культурах клеток, лишенных активности ТЕТ1, содержание 5-формилцитозина и 5-карбоксилцитозина в ДНК было существенно сниженным (Ito et al., 2011). 5-формилцитозин и 5-карбоксилцитозин в CpG сайтах специфически распознаются и удаляются из ДНК тиминовой гликозилазой TDG, являющейся ключевым ферментом эксцизионной репарации (He et al., 2011; Maiti, Drohat, 2011). Репарация образовавшегося АП- сайта приводит к замещению 5-формилцитозина/5-карбоксилцитозина цитозином (рис. 1). Другие ДНК гликозилазы - SMUG1 и MBD4 - не обладают способностью к распознаванию и эксцизии 5-формилцитозина и 5-карбоксилцитозина из ДНК (He et al., 2011; Maiti, Drohat, 2011). Распознавание и удаление 5-формилцитозина гликозилазой TDG происходит с очень высокой скоростью, примерно на 40 % быстрее, чем «mismatch» репарация. При этом гликозилаза TDG не активна в отношении 5-метилцитозина и 5-гидроксиметилцитозина (Maiti, Drohat, 2011; Zhu et al., 2000), что, возможно, объясняет снижение уровня 5-формилцитозина и 5-карбоксилцитозина по сравнению с 5-гидроксиметилцитозином в геноме млекопитающих. Делеция гена, кодирующего TDG у мышей, приводит к аберрантному повышению уровня метилирования ДНК в промоторах ряда генов и к ранней эмбриональной гибели (Cortazar et al., 2011; Cortellino et al., 2011). Следует отметить существование других возможных путей превращения 5-гидроксиметилцитозина. Предполагают, что 5-гидроксиметилцитозин может подвергаться воздействию дезаминаз AID/APOBEC (Guo et al., 2011). Это приводит к образованию 5-гидроксиметилурацила, который заменяется цитозином в процессе эксцизионной репарации с участием гликозилаз TDG и SMUG1 (Cortellino et al., 2011) (рис. 1). Кроме того, в экспериментах in vitro у метилтрансфераз DNMT3a и DNMT3b, осуществляющих метилирование ДНК de novo, была выявлена способность к прямому превращению 5-гидроксиметилцитозина в цитозин (Chen et al., 2012) (рис. 1). Реализуется ли этот механизм в клетках млекопитающих in vivo, неизвестно. Таким образом, опосредованное белками ТЕТ окисление 5-метилцитозина может инициировать каскад реакций, в том числе с участием ферментов эксцизионной репарации, приводящих к динамическим изменениям характера метилирования ДНК. Превращение 5-метилцитозина в цитозин в результате его последовательного окисления до кислородсодержащих производных (5-гидроксиметилцитозина, 5-формилцитозина и 5-карбоксилцитозина) является основным механизмом активного деметилирования ДНК. Динамика изменений 5-гидроксиметилцитозина при эпигенетическом репрограммировании генома млекопитающих В онтогенезе млекопитающих дважды - в процессе дифференцировки половых клеток и затем в доимплантационном периоде - происходит эпигенетическое репрограммирование генома, которое сопровождается глобальными изменениями характера метилирования ДНК. В ходе репрограммирования происходит стирание предсуществующего рисунка метилирования за счет деметилирования ДНК и установление нового путем реметилирования (метилирования de novo). Деметилирование ДНК может происходить двумя способами: пассивно и активно. Пассивный механизм реализуется после репликации ДНК при отсутствии метилазной активности. В этом случае новосинтезированная нить ДНК не метилируется по образцу старой. При этом образуется полуметилированная или так называемая гемиметилированная ДНК. В процессе активного деметилирования превращение 5-метилцитозина в цитозин осуществляется независимо от репликации ферментативными системами, в том числе белками ТЕТ и ДНК-гликозилазами (см. обзор Ефимова и др., 2012). Первый раунд деметилирования ДНК происходит во время миграции первичных половых клеток (ППК) в гонадные валики. Роль кислородсодержащих производных 5-метилцитозина в процессе деметилирования генома дифференцирующихся гамет изучена только на мышах. В ППК мышей снижение уровня метилирования ДНК начинается на 8-9-е сутки (Е8.5). Оно не сопровождается появлением 5-гидроксиметилцитозина и не зависит от белков ТЕТ (Yamaguchi et al., 2012). На этих стадиях потеря 5-метилцитозина происходит пассивно (Kagiwada et al., 2012). При дальнейшем деметилировании в геноме ППК регистрируют прогрессивное увеличение количества 5-гидроксиметилцитозина. Пик содержания 5-гидроксиметилцитозина в ППК приходится на 10-11-е сутки (Е10.75). Начиная с 11-12-х суток (Е11.5), уровень 5-гидроксиметилцитозина снижается. При этом не наблюдается увеличения количества 5-формилцитозина и 5-карбоксилцитозина (Yamaguchi et al., 2013). Завершающим этапом деметилирования ДНК ППК мышей является зависимая от репликации потеря 5-гидроксиметилцитозина, происходящая на 10-13-е сутки (Е10.5-Е13.5) (Yamaguchi et al., 2013). Реметилирование ДНК мужских и женских половых клеток происходит в разное время. Характер метилирования геномов зрелых мужских и женских гамет сопоставим с таковым в соматических клетках. Исключение составляют только центры импринтинга, эпигенетические метки которых устанавливаются в соответствии с полом особи (Carlson, 2009). Второй раунд деметилирования ДНК начинается сразу после оплодотворения и продолжается в течение всего доимплантационного периода, вплоть до стадии бластоцисты. Сопоставление степени метилирования родительских пронуклеусов и гомологичных метафазных хромосом в зиготах некоторых млекопитающих, в том числе человека, показало гипометилирование или отсутствие метилирования отцовского генома при сохранении высокого уровня 5-метилцитозина в материнском геноме (Баранов и др., 2005; Beaujean et al., 2004; Fulka et al., 2004; Pendina et al., 2011, Xu et al., 2005). Разное содержание 5-метилцитозина в родительских геномах на стадии зиготы связано с активным деметилированием отцовской ДНК, происходящим вскоре после оплодотворения. В зиготах мышей, кроликов и коров показан высокий уровень содержания 5-гидроксиметилцитозина в мужском пронуклеусе (Iqbal et al., 2011: Wossidlo et al., 2011). Появление в мужском пронуклеусе 5-гидроксиметилцитозина совпадает с началом понижения уровня 5-метилцитозина (Iqbal et al., 2011; Wossidlo et al., 2011) (рис. 2). Вероятнее всего, деметилирование ДНК с образованием 5-гидроксиметилцитозина как промежуточного продукта является эволюционно консервативным механизмом репрограммирования генома. Деметилирование мужского генома катализируется белком TET3, большие количества которого обнаружены в ооцитах и зиготах (рис. 2). Содержание ТЕТ3 резко снижается на стадии двух бластомеров и при последующих делениях дробления (Iqbal et al., 2011; Wossidlo et al., 2011). Делеция гена Теt3 в ооцитах или его инактивация с помощью коротких интерферирующих РНК (siRNA) в зиготе препятствует образованию 5-гидроксиметилцитозина из 5-метилцитозина в мужском пронуклеусе (Gu et al., 2011; Wossidlo et al., 2011). Предполагают, что содержащийся в зиготе белок TET3 необходим для активного деметилирования транспозонов Line1 и регуляторных районов генов плюрипотентности Oct4 и Nanog, гиперметилированных в сперматозоиде. Делеция Tet3 в ППК или растущих ооцитах приводит к повышению частоты остановки развития эмбрионов, вероятнее всего, связанной с задержкой активации отцовских аллелей генов, экспрессия которых необходима на начальных стадиях эмбриогенеза (Gu et al., 2011). Имеющиеся данные свидетельствуют в пользу того, что белок ТЕТ3 является важнейшим фактором активного эпигенетического репрограммирования отцовского генома на стадии зиготы. Несмотря на высокий уровень содержания TET3, геном ооцитов не подвергается активному деметилированию. При переносе ядра клетки кумулюса в энуклеированный ооцит количество 5-гидроксиметилцитозина резко возрастает (Wossidlo et al., 2011). Открытым остается вопрос, каким образом геном ооцита избегает активного деметилирования и как происходит узнавание отцовского генома (или генома соматической клетки) ферментом TET3. Предполагается, что материнский пронуклеус обладает резистентностью к действию деметилаз благодаря наличию в его хроматине диметилированного по лизину в положении 9 гистона Н3 (H3K9me2) и специфического белка PGC7. В отсутствии PGC7 в материнском геноме регистрируют наличие 5-гидроксиметилцитозина (Nakamura et al., 2007; Nakamura et al., 2012). Исследования судьбы 5-гидроксиметилцитозина, образовавшегося в мужском пронуклеусе на стадии зиготы, позволили установить его зависимую от репликации потерю при каждом делении дробления (Iqbal et al., 2011). На метафазных пластинках, полученных из бластомеров двух-, четырех- и восьмиклеточных зародышей мыши наблюдается градуальное уменьшение числа хроматид, несущих 5-гидроксиметилцитозин: при каждом делении дробления число таких хроматид на бластомер уменьшается примерно вдвое (Inoue, Zhang 2011) (рис. 2). Таким образом, в дробящемся зародыше не происходит быстрого превращения всего 5-гидроксиметилцитозина в другие кислородсодержащие производные 5-метилцитозина и/или 5-гидроксиметилурацил. Сохранение 5-гидроксиметилцитозина в течение доимплантационного развития свидетельствует о его стабильности. Зависимая от репликации потеря 5-гидроксиметилцитозина не исключает его частичного окисления до 5-формилцитозина и 5-карбоксилцитозина. Наличие карбонильной и карбоксильной форм 5-метилцитозина в геноме дробящихся зародышей мыши было подтверждено иммуноцитохимическим методом. Показано, что 5-формилцитозин и 5-карбоксилцитозин могут быть обнаружены в мужском пронуклеусе уже на стадии зиготы; затем при каждом делении дробления происходит их пассивная потеря (Inoue et al., 2011). Одновременно с потерей кислородсодержащих производных 5-метилцитозина в ходе делений дробления происходит и зависимое от репликации уменьшение уровня метилирования ДНК: теряется 5-метилцитозин, который не был подвержен гидроксилированию на стадии зиготы. К стадии бластоцисты геном реметилируется, распределение 5-метилцитозина в ДНК становится сходным с таковым в соматических клетках, и эпигенетическое репрограммирование завершается (Баранов и др., 2005; Пендина и др., 2005; Beaujean et al., 2004; Fulka et al., 2004; Pendina et al., 2011) (рис. 2). Таким образом, на сегодняшний день нет сомнений в том, что кислородсодержащие производные 5-метилцитозина являются важными промежуточными продуктами ферментативного деметилирования ДНК в гаметогенезе и в раннем эмбриогенезе млекопитающих. Следует, однако, учитывать, что многие ключевые процессы развития характеризуются выраженной видовой специфичностью. Поэтому требуются специальные исследования для доказательства роли 5-гидроксиметилцитозина, 5-формилцитозина и 5-карбоксилцитозина в эпигенетическом репрограммировании генома человека. Роль 5-гидроксиметилцитозина в регуляции экспрессии генов Наличие 5-гидроксиметилцитозина в эмбриональных стволовых клетках, а также в дифференцированных клетках млекопитающих позволяет предполагать его собственную роль в регуляции работы генов. Данные многочисленных исследований свидетельствуют в пользу такого предположения. В эмбриональных стволовых клетках мышей 5-гидроксиметилцитозин локализован преимущественно в эухроматиновых районах с высокой плотностью генов. При этом его наибольшая концентрация отмечена в сайтах начала транскрипции (transcription start sites - TSSs), в промоторах и экзонах (Ficz et al., 2011; Pastor et al., 2011; Williams et al., 2011; Wu et al., 2011; Xu et al., 2011). Установлено также, что 5-гидроксиметилцитозин преимущественно локализуется в районах генома со средней плотностью CpG-динуклеотидов. Высокий уровень 5-гидроксиметилцитозина характерен для CpG-островков, содержание GC-пар в которых варьирует от низкого до среднего, а также для промоторов со средней плотностью CpG-динуклеотидов (Ficz et al., 2011; Williams et al., 2011; Wu et al., 2011; Xu et al., 2011). Еще одним свидетельством в пользу связи 5-гидроксиметилцитозина с экспрессией генов в эмбриональных стволовых клетках мышей является его колокализация в промоторах с маркером активного хроматина - триметилированным по лизину в 4-м положении гистоном Н3 (H3K4me3) (Pastor et al., 2011; Wu et al., 2011; Xu et al., 2011). Уровень 5-гидроксиметилцитозина повышен в активно транскрибирующихся генах, особенно в их 3’- концевых последовательностях (Wu et al., 2011; Xu et al., 2011). Кроме того, известно, что 5-гидроксиметилцитозин ассоциирован со многими cis-регуляторными последовательностями: энхансерами, сайтами связывания транскрипционных факторов и инсуляторами (Ficz et al., 2011; Pastor et al., 2011; Wu et al., 2011). Сходные данные получены в исследованиях эмбриональных стволовых клеток и нейронов человека (Song et al., 2011; Stroud et al., 2011; Szulwach et al., 2011; Wang et al., 2012). Содержание 5-гидроксиметилцитозина в геноме человека варьирует от 0,05 % до 0,7 % и зависит от типа клеток и стадии онтогенеза (Li, Liu, 2011; Nestor et al., 2012). Так, наиболее высокий уровень 5-гидроксиметилцитозина (0,40-0,65 %) характерен для ДНК клеток мозга, печени, почки, толстой и прямой кишки, менее высокий - для клеток легкого (0,18 %), а самый низкий - для клеток сердечной мышцы, молочной железы и плаценты (0,05-0,06 %) (Li, Liu, 2011). В клеточных культурах уровень 5-гидроксиметилцитозина быстро снижается. При этом содержание 5-гидроксиметилцитозина в активных генах коррелирует с уровнем их транскрипции (Nestor et al., 2012). При изучении мозга мыши отмечено, что характер распределения 5-гидроксиметилцитозина подвержен возрастным изменениям (Szulwach et al., 2011). При злокачественном перерождении клетки и при некоторых других заболеваниях содержание 5-гидроксиметилцитозина в геноме изменяется. Значительное снижение (до 0,02-0,06 %) содержания 5-гидроксиметилцитозина по сравнению с нормальной тканью показано в опухолевых клетках толстой и прямой кишки (Li, Liu, 2011). Многие другие типы злокачественных опухолей - плоскоклеточная карцинома, гепатома, меланома, опухоли молочной железы, легкого, поджелудочной железы, предстательной железы - также характеризуются пониженным содержанием в ДНК 5-гидроксиметилцитозина, что в большинстве случаев обусловлено мутациями генов Тet (Gambichler et al., 2013; Jäwert et al., 2013; Lian et al., 2012; Liu et al., 2013; Yang et al., 2013). Показано полногеномное снижение уровня гидроксиметилирования ДНК у мышей - экспериментальных моделей хореи Гентингтона (Wang et al., 2013). У пациентов с наследственной атаксией Фридрейха отмечают повышение содержания 5-гидроксиметилцитозина в локусе FXN (Al-Mahdawi et al., 2013). При болезни Альцгеймера в клетках мозга повышаются уровни ТЕТ1, 5-метилцитозина и 5-гидроксиметилцитозина, но наблюдается снижение количества 5-формилцитозина и 5-карбоксилцитозина (Bradley-Whitman, Lovell, 2013). Таким образом, гидроксилирование 5-метилцитозина может рассматриваться не только как промежуточный этап активного деметилирования ДНК, но и как достаточно стабильная эпигенетическая модификация генома, биологическая роль которой остается малопонятной. Влияние внешних факторов на характер гидроксиметилирования ДНК Исследования влияния различных внешних факторов на содержание в геноме млекопитающих 5-гидроксиметилцитозина пока весьма малочисленны. У млекопитающих доказано влияние фенобарбитала и диэтилстилбестрола на профили содержания 5-гидроксиметилцитозина. В клетках печени мышей, получавших фенобарбитал, при отсутствии глобальных изменений уровня 5-гидроксиметилцитозина в геноме, отмечаются множественные локальные изменения, затрагивающие, в первую очередь, промоторные области ряда генов. В этих локусах наблюдается одновременное повышение содержания 5-гидроксиметилцитозина и диметилированного по лизину в 4-м положении гистона Н3 (H3K4me2) и снижение уровня метилирования ДНК (Song, He, 2012; Thomson et al., 2012). Воздействие диэтилстилбестролом в неонатальном периоде у мышей приводит к изменениям экспрессии генов в органах женской репродуктивной системы, бесплодию и раку матки. Предполагается, что последние вызваны эпигенетическими изменениями, в том числе уменьшением содержания 5-гидроксиметилцитозина вследствие снижения экспрессии Тet1 (Jefferson et al., 2013). Активно обсуждается влияние оксидативного стресса на образование 5-гидроксиметилцитозина. Так, предложена модель, согласно которой увеличение в клетке активных форм кислорода способствует повышению содержания в геноме 5-гидроксиметилцитозина (Chia et al., 2011) (рис. 3). При оксидативном стрессе в клетке уменьшается содержание NADPH и NADH, которые, наряду с глутатионом, являются кофакторами регуляции анаболических биохимических реакций, и обеспечивают восстановительный потенциал клетки. Вследствие этого в митохондриях нарастает уровень NAD+, что приводит к активации NAD+-зависимого семейства деацетилаз SIRT3 (Someya et al., 2010). Последние активируют митохондриальную изоформу дегидрогеназы изоцитрата (IDH2), что ведет к повышению уровня альфа-кетоглутарата, который через семейство белков ТЕТ способствует изменению характера метилирования и гидроксиметилирования генома (Chia et al., 2011). Несомненный интерес представляет вопрос о том, являются ли такие изменения естественным ответом клетки на оксидативный стресс или они возникают только в результате выраженных биохимических нарушений. Проведение комплексных биохимических, генетических, цитологических и патоморфологических исследований по изучению реакций клетки и ее эпигенома на внешние факторы, позволит более объективно оценить значение 5-гидроксиметилцитозина при ответе на стрессовые воздействия. Заключение Роль 5-гидроксиметилцитозина и других кислородсодержащих производных 5-метилцитозина - 5-формилцитозина и 5-карбоксилцитозина - в регуляции работы генома млекопитающих является предметом пристального изучения. Распределение модифицированного цитозина в геноме подвержено запрограммированным изменениям в ходе онтогенеза. Нарушения этих процессов в результате влияния экзогенных и эндогенных факторов приводят к тяжелым заболеваниям или к остановке развития. Обратимость эпигенетических процессов позволяет надеяться на успешную коррекцию многих нарушений за счет компенсации недостатка тех или иных факторов, вовлеченных в цикл эпигенетических преобразований цитозина. Полученные в последние годы данные о роли кислородсодержащих производных 5-метилцитозина в процессе деметилирования ДНК, а также об их влиянии на экспрессию генов, послужат основой для разработки профилактических и терапевтических мероприятий, направленных на коррекцию аберрантных эпигенетических профилей и ассоциированных с ними патологических состояний. С помощью новых методик высокого разрешения - оксидативного бисульфитного секвенирования (oxBS-Seq) (Booth et al., 2012) и ТЕТ-опосредованного бисульфитного секвенирования (TAB-Seq) (Yu et al., 2012) - возможно точно оценить количество 5-гидроксиметилцитозина в геномной ДНК, с учетом даже единичных модифицированных сайтов. Развитие таких технологий позволит создать тест-системы для определения характера и степени воздействия на организм токсических веществ путем оценки эпигенетических модификаций в геноме, а также для выявления эпигенетических маркеров, важных для ранней диагностики и профилактики различных патологических состояний человека, включая онкологические, психические и другие частые мультифакторные заболевания.

Olga Alekseyevna Efimova

D. O. Ott Institute of Obstetrics and Gynecology

Email: efimova_o82@mail.ru
Researcher, PhD. Laboratory for Prenatal Diagnosis of human inherited and inborn disorders

Anna Andreyevna Pendina

D. O. Ott Institute of Obstetrics and Gynecology

Email: pendina@mail.ru
Researcher, PhD. Laboratory for Prenatal Diagnosis of human inherited and inborn disorders

Andrei Vladimirovich Tikhonov

Saint Petersburg State University

Email: tixonov5790@gmail.com
PhD student. Department of Genetics abd Biotechnology

Tatyana Vladimirovna Kuznetzova

D. O. Ott Institute of Obstetrics and Gynecology

PhD, senior researcher. Laboratory for Prenatal Diagnosis of human inherited and inborn disorders

Vladislav Sergeyevich Baranov

D. O. Ott Institute of Obstetrics and Gynecology

Email: baranov@vb2475.spb.edu
Head of the lab., prof. Laboratory for Prenatal Diagnosis of human inherited and inborn disorders

  1. Баранов В. С., Пендина А. А., Кузнецова Т. В. и др. (2005) Некоторые особенности статуса метилирования метафазных хромосом у зародышей человека доимплантационных стадий развития. Цитология. Т. 47, № 8: С. 723-730.
  2. Ефимова О. А., Пендина А. А., Тихонов А. В. и др. (2012) Метилирование ДНК - основной механизм репрограммирования и регуляции генома человека. Медицинская генетика. Т. 11, № 4 (118): С. 10-18.
  3. Пендина А. А., Ефимова О. А., Каминская А. Н. и др. (2005) Иммуноцитохимический анализ статуса метилирования метафазных хромосом человека. Цитология. Т. 47, № 8: C. 731-737.
  4. Al-Mahdawi S., Sandi C., Mouro Pinto R., Pook M. A. (2013) Friedreich ataxia patient tissues exhibit increased 5-hydroxymethylcytosine modification and decreased CTCF binding at the FXN locus. PLoS One. V. 8 (9). e74956.
  5. Beaujean N., Hartshorne G., Cavilla J. et al. (2004) Non-conservation of mammalian preimplantation methylation dynamics. Curr Biol. V. 14: P. R266-R267.
  6. Booth M. J., Branco M. R., Ficz G. et al. (2012) Quantitative sequencing of 5-methylcytosine and 5-hydroxymethylcytosine at single-base resolution. Science. V. 336: P. 934-937.
  7. Bradley-Whitman M. A., Lovell M. A. (2013) Epigenetic changes in the progression of Alzheimer's disease. Mech Ageing Dev. Available online 3 September 2013. doi: pii: S0047-6374 (13)00096-1.10.1016/ j.mad.2013.08.005.
  8. Carlson B. M. (2009) Human embryology and developmental biology. 4th edition. USA. Mosby. 541 p.
  9. Chia N., Wang L., Lu X., Senut M. C. et al. (2011) Hypothesis: environmental regulation of 5-hydroxymethylcytosine by oxidative stress. Epigenetics. V. 6 (7): P. 853-856.
  10. Chen C. C., Wang K. Y., Shen C. K. (2012) The mammalian de novo DNA methyltransferases DNMT3A and DNMT3B are also DNA 5-hydroxymethylcytosine dehydroxymethylases. J Biol Chem. V. 287: P. 33 116-33 121.
  11. Cliffe L. J., Kieft R., Southern T. et al. (2009) JBP1 and JBP2 are two distinct thymidine hydroxylases involved in J biosynthesis in genomic DNA of African trypanosomes. Nucleic Acids Res. V. 37: P. 1452-1462.
  12. Cortázar D., Kunz C., Selfridge J. et al. (2011) Embryonic lethal phenotype reveals a function of TDG in maintaining epigenetic stability. Nature. V. 470 (7334): P. 419-423.
  13. Cortellino S., Xu J., Sannai M. et al. (2011) Thymine DNA glycosylase is essential for active DNA demethylation by linked deamination-base excision repair. Cell. V. 146 (1): P. 67-79.
  14. Ficz G., Branco M. R., Seisenberger S. et al. (2011) Dynamic regulation of 5-hydroxymethylcytosine in mouse ES cells and during differentiation. Nature. V. 473: P. 398-402.
  15. Fulka H., Mrazek M., Tepla O., Fulka Jr. J. (2004) DNA methylation pattern in human zygotes and developing embryos. Reproduction. V. 128: P. 703-708.
  16. Gambichler T., Sand M., Skrygan M. (2013) Loss of 5-hydroxymethylcytosine and ten-eleven translocation 2 protein expression in malignant melanoma. Melanoma Res. V. 23 (3): P. 218-220.
  17. Gu T. P., Guo F., Yang H. et al. (2011) The role of Tet3 DNA dioxygenase in epigenetic reprogramming by oocytes. Nature. V. 477 (7366): P. 606-610.
  18. Guo J. U., Su Y., Zhong C. et al. (2011) Hydroxylation of 5-methylcytosine by TET1 promotes active DNA demethylation in the adult brain. Cell. V. 145: P. 423-434.
  19. Hattman S., Fukasawa T. (1963) Host-induced modification of T-even phages due to defective glucosylation of their DNA. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. V. 50: P. 297-300.
  20. He Y. F., Li B. Z., Li Z. et al. (2011) Tet-mediated formation of 5-Carboxylcytosine and its excision by TDG in mammalian DNA. Science. V. 333: P. 1303-1307.
  21. Iqbal K., Jin S. G., Pfeifer G. P., Szabó P. E. (2011) Reprogramming of the paternal genome upon fertilization involves genome-wide oxidation of 5-methylcytosine. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. V. 108 (9): P. 3642-3647.
  22. Inoue A., Shen L., Dai Q., He C., Zhang Y. (2011) Generation and replication-dependent dilution of 5fC and 5caC during mouse preimplantation development. Cell Res. V. 21 (12): P. 1670-1676.
  23. Inoue A., Zhang Y. (2011) Replication-dependent loss of 5-hydroxymethylcytosine in mouse preimplantation embryos. Science. V. 334 (6053): P. 194.
  24. Ito S., D’Alessio A. C., Taranova O. V. et al. (2010) Role of Tet proteins in 5mC to 5hmC conversion, ES-cell self-renewal and inner cell mass specification. Nature. V. 466: P. 1129-1133.
  25. Ito S., Shen L., Dai Q. et al. (2011) Tet proteins can convert 5-methylcytosine to 5-formylcytosine and 5-carboxylcytosine. Science. V. 333 (6047): P. 1229-1230.
  26. Jäwert F., Hasséus B., Kjeller G. et al. (2013) Loss of 5-Hydroxymethylcytosine and TET2 in Oral Squamous Cell Carcinoma. Anticancer Res. V. 33 (10): P. 4325-4328.
  27. Jefferson W. N., Chevalier D. M., Phelps J. Y. et al. (2013) Persistently altered epigenetic marks in the mouse uterus after neonatal estrogen exposure. Mol. Endocrinol. V. 27 (10): P. 1666-1677.
  28. Kagiwada S., Kurimoto K., Hirota T. et al. (2012) Replication-coupled passive DNA demethylation for the erasure of genome imprints in mice. EMBO J. V. 32: P. 340-353.
  29. Kornberg A., Zimmerman S. B., Kornberg S. R., Josse J. (1959) Enzymatic synthesis of deoxyribonucleic acid. Influence of bacteriophage T2 on the synthetic pathway in host cells. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. V. 45: P. 772-785.
  30. Kothari R. M., Shankar V. (1976) 5-Methylcytosine content in the vertebrate deoxyribonucleic acids: species specificity. J Mol Evol. V. 7: P. 325-329.
  31. Kriaucionis S., Heintz N. (2009) The nuclear DNA base 5-hydroxymethylcytosine is present in Purkinje neurons and the brain. Science. V. 324: P. 929-930.
  32. Li W., Liu M. (2011) Distribution of 5-hydroxymethylcytosine in different human tissues. J Nucleic Acids. V. 2011. Article ID 870726. 5 pages.
  33. Lian C. G., Xu Y., Ceol C. et al. (2012) Loss of 5-hydroxymethylcytosine is an epigenetic hallmark of melanoma. Cell. V. 150 (6): P. 1135-1146.
  34. Liu C., Liu L., Chen X. et al. (2013) Decrease of 5-hydroxymethylcytosine is associated with progression of hepatocellular carcinoma through downregulation of TET1. PLoS One. V. 8 (5). e62828.
  35. Maiti A., Drohat A. C. (2011) Thymine DNA glycosylase can rapidly excise 5-formylcytosine and 5-carboxylcytosine: potential implications for active demethylation of CpG sites. J Biol Chem. V. 286 (41): P. 35 334-35 338.
  36. Nakamura T., Arai Y., Umehara H. et al. (2007) PGC7/Stella protects against DNA demethylation in early embryogenesis. Nature Cell Biol. V. 9 (1): P. 64-71.
  37. Nakamura T., Liu Y. J., Nakashima H. et al. (2012) PGC7 binds histone H3K9me2 to protect against conversion of 5mC to 5hmC in early embryos. Nature. V. 486 (7403): P. 415-419.
  38. Nestor C. E., Ottaviano R., Reddington J. et al. (2012) Tissue type is a major modifier of the 5-hydroxymethylcytosine content of human genes. Genome Res. V. 22 (3): P. 467-477.
  39. Pastor W. A., Pape U. J., Huang Y. et al. (2011) Genome-wide mapping of 5-hydroxymethylcytosine in embryonic stem cells. Nature. V. 473: P. 394-397.
  40. Pendina A. A., Efimova O. A., Fedorova I.D et al. (2011) DNA methylation patterns of metaphase chromosomes in human preimplantation embryos. Cytogenetic and Genome Research. V. 132 (1-2): P. 1-7.
  41. Penn N. W., Suwalski R., O'Riley C. et al. (1972) The presence of 5-hydroxymethylcytosine in animal deoxyribonucleic acid. Biochem J. V. 126: P. 781-790.
  42. Pfaffeneder T., Hackner B., Truss M. et al. (2011) The discovery of 5-formylcytosine in embryonic stem cell DNA. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. V. 50 (31): P. 7008-7012.
  43. Salvaing J., Aguirre-Lavin T., Boulesteix C. et al. (2012) 5-Methylcytosine and 5-hydroxymethylcytosine spatiotemporal profiles in the mouse zygote. PLoS One. V. 7 (5). e38156.
  44. Shedlovsky A., Brenner S. (1963) A chemical basis for the host-induced modification of T-even bacteriophages. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. V. 50: P. 300-305.
  45. Shen L., Zhang Y. (2013) 5-Hydroxymethylcytosine: generation, fate, and genomic distribution. Curr. Opin. Cell Biol. V. 25 (3); P. 289-296.
  46. Someya S., Yu W., Hallows W. C. et al. (2010) Sirt3 mediates reduction of oxidative damage and prevention of age-related hearing loss under caloric restriction. Cell. V. 143 (5): P. 802-812.
  47. Song C. X., Szulwach K. E., Fu Y. et al. (2011) Selective chemical labeling reveals the genome-wide distribution of 5-hydroxymethylcytosine. Nat. Biotechnol. V. 29: P. 68-72.
  48. Song C. X., He C. (2012) Balance of DNA methylation and demethylation in cancer development. Genome Biol. V. 13: P. 173.
  49. Steinberg J. J., Cajigas A., Brownlee M. (1992) Enzymatic shot-gun 50-phosphorylation and 30-sister phosphate exchange: a two-dimensional thin-layer chromatographic technique to measure DNA deoxynucleotide modification. J Chromatogr. V. 574: P. 41-55.
  50. Stroud H., Feng S., Morey Kinney S. et al. (2011) 5-Hydroxymethylcytosine is associated with enhancers and gene bodies in human embryonic stem cells. Genome Biol. V. 12: P. R54.
  51. Szulwach K. E., Li X., Li Y. et al. (2011a) 5-hmC-mediated epigenetic dynamics during postnatal neurodevelopmentand aging. Nat. Neurosci. V. 14: P. 1607-1616.
  52. Szulwach K. E., Li X., Li Y. et al. (2011b) Integrating 5-hydroxymethylcytosine into the epigenomic landscape of human embryonic stem cells. PLoS Genet. V. 7 (6). e1002154.
  53. Tahiliani M., Koh K. P., Shen Y. et al. (2009) Conversion of 5-methylcytosine to 5-hydroxymethylcytosine in mammalian DNA by MLL partner TET1. Science. V. 324: P. 930-935.
  54. Thomson J. P., Lempiainen H., Hackett J. A. et al. (2012) Non-genotoxic carcinogen exposure induces defined changes in the 5-hydroxymethylome. Genome Biol. V. 13: P. R93.
  55. Valinluck V., Sowers L. C. (2007) Endogenous cytosine damage products alter the site selectivity of human DNA maintenance methyltransferase DNMT1. Cancer Res. V. 67: P. 946-950.
  56. Wang T., Pan Q., Lin L. et al. (2012) Genome-wide DNA hydroxymethylation changes are associated with neurodevelopmental genes in the developing human cerebellum. Hum. Mol. Genet. V. 21: P. 5500-5510.
  57. Wang F., Yang Y., Lin X., Wang J. Q. et al. (2013) Genome-wide loss of 5-hmC is a novel epigenetic feature of Huntington's disease. Hum. Mol. Genet. V. 22 (18): P. 3641-3653.
  58. Williams K., Christensen J., Pedersen M. T. et al. (2011) TET1 and hydroxymethylcytosine in transcription and DNA methylation fidelity. Nature. V. 473: P. 343-348.
  59. Wossidlo M., Arand J., Sebastiano V. et al. (2010) Dynamic link of DNA demethylation, DNA strand breaks and repair in mouse zygotes. EMBO J. V. 29 (11): P. 1877-1888.
  60. Wossidlo M., Nakamura T., Lepikhov K. et al. (2011) 5-Hydroxymethylcytosine in the mammalian zygote is linked with epigenetic reprogramming. Nat. Commun. V. 2; P. 241.
  61. Wu H., D’Alessio A. C., Ito S. et al. (2011) Genome-wide analysis of 5-hydroxymethylcytosine distribution reveals its dual function in transcriptional regulation in mouse embryonic stem cells. Genes Dev. V. 25: P. 679-684.
  62. Wyatt G. R., Cohen S. S. (1952) A new pyrimidine base from bacteriophage nucleic acids. Nature. V. 170: P. 1072-1073.
  63. Xu Y., Zhang J. J., Grifo J. A., Krey L. C. (2005) DNA methylation patterns in human tripronucleate zygotes. Molecular Human Reproduction. V. 11 (3): P. 167-171.
  64. Xu Y., Wu F., Tan L. et al. (2011) Genome-wide regulation of 5hmC, 5mC, and gene expression by Tet1 hydroxylase in mouse embryonic stem cells. Mol. Cell. V. 42: P. 451-464.
  65. Yamaguchi S., Hong K., Liu R. et al. (2012) Tet1 controls meiosis by regulating meiotic gene expression. Nature. V. 492: P. 443-447.
  66. Yamaguchi S., Hong K., Liu R. et al. (2013) Dynamics of 5-methylcytosine and 5-hydroxymethylcytosine during germ cell reprogramming. Cell Res. V. 23 (3): P. 329-339.
  67. Yang H., Liu Y., Bai F. et al. (2013) Tumor development is associated with decrease of TET gene expression and 5-methylcytosine hydroxylation. Oncogene. V. 32 (5): P. 663-669.
  68. Yu Z., Genest P. A., ter Riet B. et al. (2007) The protein that binds to DNA base J in trypanosomatids has features of a thymidine hydroxylase. Nucleic Acids Res. V. 35: P. 2107-2115.
  69. Yu M., Hon G. C., Szulwach K. E. et al. (2012) Base-resolution analysis of 5-hydroxymethylcytosine in the mammalian genome. Cell. V. 149: P. 1368-1380.
  70. Zhu B., Zheng Y., Angliker H. et al. (2000) 5-Methylcytosine DNA glycosylase activity is also present in the human MBD4 (G/T mismatch glycosylase) and in a related avian sequence. Nucleic Acids Res. V. 28 (21): P. 4157-4165.

Views

Abstract - 515

PDF (Russian) - 228

PlumX


Copyright (c) 2014 Efimova O.A., Pendina A.A., Tikhonov A.V., Kuznetzova T.V., Baranov V.S.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.