Новый метод маркировки расширяет возможности изучения модификаций ДНК

Исследователи из Медицинской школы Университета Эмори и Чикагского университета разработали метод маркировки и картирования «шестого нуклеотида», биологическая роль которого только начинает изучаться.

Метод описан в журнале Nature Biotechnology.

Он позволил впервые увидеть, как 5-гидроксиметилцитозин (5-hmC) распределён в геноме. В отличие от 5-метилцитозина (5-mC) — химической модификации ДНК, обычно обнаруживаемой на выключенных генах, — этот дополнительный слой модификации обогащён в активных генах. 5-hmC, по-видимому, более распространён в эмбриональных стволовых клетках и клетках мозга по сравнению с другими типами клеток, и его количество значительно увеличивается по мере созревания мозга.

«Основная причина, по которой эта модификация ДНК ранее не изучалась, заключалась в том, что стандартные подходы её не обнаруживали. Группам, которые её идентифицировали, приходилось выделять большие количества ДНК и анализировать её напрямую», — говорит соавтор Пэн Цзинь.

В последние годы учёные изучают роль метилирования — модификации цитозина, одного из четырёх оснований ДНК. Когда стволовые клетки превращаются в клетки кожи, крови, мышц или мозга, метилирование ДНК помогает выключать ненужные гены. Изменения в метилировании ДНК также лежат в основе превращения здоровой клетки в раковую.

В 2009 году был обнаружен второй слой модификации поверх 5-mC: 5-hmC присутствовал в мозге мыши и был особенно обилен в клетках Пуркинье мозжечка. Однако существующие методы не позволяли отличить 5-mC от 5-hmC.

Чтобы заполнить этот пробел, команда под руководством Чуань Хэ использовала свойства фермента бактериофага, который может присоединять химически модифицированный сахарный маркер к 5-hmC. В сотрудничестве с группой Пэна Цзиня они картировали, где 5-hmC появляется в геноме и в различных типах клеток.

Хотя химический метод маркировки позволяет отделять ДНК, содержащую 5-hmC, от остальной ДНК, он ещё не даёт возможности видеть 5-hmC при посимвольном чтении ДНК. Исследователи работают над методом более высокого разрешения.

Основные результаты:

• Уровень 5-hmC в ДНК эмбриональных стволовых клеток мыши составляет 500 частей на миллион.
• В мозжечке мыши уровень возрастает с 1000 до 4000 частей на миллион по мере взросления особи и созревания этой части мозга.
• В отличие от 5-mC, который обычно находится на выключенных генах, 5-hmC обогащён в активных генах.
• Мутации в ферментах, ответственных за превращение 5-mC в 5-hmC, связаны с одной из форм лейкемии.
• Гены, которые приобретают 5-hmC по мере старения мозга, обогащены генами, связанными с нейродегенерацией, клеточным ответом на низкий уровень кислорода и ростом новых кровеносных сосудов.

«Такое специфическое обогащение генов предполагает, что 5-hmC — это не просто промежуточный шаг, когда клеткам нужно избавиться от метилирования ДНК, но он может иметь уникальную функцию в регуляции генов», — говорит Пэн Цзинь.

Поскольку ферменты, превращающие 5-mC в 5-hmC, требуют кислорода, это может быть ещё одним способом, которым клетки чувствуют и реагируют на уровень кислорода и окислительный стресс.