В многоклеточных организмах каждая клетка содержит полный набор генетической информации, характерной для конкретного вида. Однако в любой данной клетке фактически экспрессируется только подмножество этой всеобъемлющей библиотеки генов — и именно эта избирательность дает начало различным типам клеток с определенными функциями. На уровне самой ДНК простые химические модификации ее субъединиц могут определять, какие гены активны, а какие выключены.
Но регуляция генов также должна быть гибкой, что требует, чтобы активация и инактивация генов были обратимыми. Следовательно, это означает, что должна существовать возможность удаления таких модификаций ДНК. Исследователи LMU во главе с профессором Томасом Кареллом описали новый механизм реактивации заглушенных генов, который, в отличие от других известных путей, не приводит к образованию потенциально вредных промежуточных продуктов.
Новые результаты опубликованы в журнале Nature Chemical Biology.Метилирование одного из четырех основных строительных блоков ДНК — нуклеотидного основания, известного как цитидин, — играет важную роль в регуляции активности генов. Присоединение метильной группы (CH3) к неметилированному цитидину превращает его в 5-метилцитидин, который, как известно, блокирует активность генов. «Это поднимает вопрос о том, как клетка может обратить эту инактивирующую модификацию, чтобы восстановить ген до его прежнего состояния», — говорит Карелл. Чтобы реактивировать метилированный ген, необходимо удалить метильную группу.
До сих пор предполагалось, что метилированный цитидин должен быть вырезан из ДНК и заменен неметилированной формой основания. Однако это рискованный процесс, потому что он требует разрезания одной или даже обеих цепей ДНК — и, если не исправить быстро, разрывы ДНК могут иметь серьезные последствия для клетки.«Теперь мы показали на эмбриональных стволовых клетках мыши, что существует другой способ деметилирования, который позволяет избежать любого нарушения целостности цепи ДНК», — говорит Карелл. В этом пути присоединенная метильная группа ферментативно окисляется с образованием 5-формилцитидина, который команда Карелла впервые обнаружила в стволовых клетках мышей в 2011 году.
Теперь они использовали стабильные изотопы для мечения 5-формилцитидина в стволовых клетках и показали, что это быстро превращается неметилированный цитидин. «Таким образом, этот механизм позволяет клеткам регулировать активность генов на уровне ДНК без риска того, что ДНК может быть повреждена в процессе», — объясняет Карелл. Авторы нового исследования считают, что этот путь также может представлять медицинский интерес, поскольку он может предоставить способ целенаправленного репрограммирования стволовых клеток.
Такой метод, в свою очередь, откроет новые перспективы в регенеративной медицине.