Epigenetik Mekanizmalar: DNA Metilasyonu ve Histon Modifikasyonu

 

Doğa Bahçeci - Moleküler Biyoloji ve Genetik  Doğu Akdeniz Üniversitesi 

 

Epigenetik Nedir?

 

"Kromozomlardaki değişim" ifadesi genellikle okuyucuda "DNA'daki değişiklikler" düşüncesine neden olur. Bununla birlikte, DNA dizisinde herhangi bir değişiklik olmaksızın bir gen paterninin ekspresyonu yoluyla bir hücrenin kromozomundaki değişiklikleri görmek mümkündür. Bu cümle “epigenetik” denilen tek bir kelime ile tanımlanabilir [1]. Bir organizmanın genomu, gametler hariç tüm hücreleri arasında aynıdır, ancak birbirleri arasında farklı fenotipik özellikler gösterirler. Epigenetik alanı, bu değişiklikler için açıklamalar bulmamıza yardımcı olur [2]. Kromatin mimarisinin önemli düzenleyicileri ve genlerin ifadesi epigenetik mekanizmalar olarak adlandırılır [3]. Histonların modifikasyonu, kodlamayan ribonükleik asit yoluyla genlerin susturulması ve DNA'nın metilasyonu epigenetik mekanizmaların örnekleridir [4]. Bu yazıda DNA Metilasyonu ve Histon modifikasyonları hakkında bilgi verilecektir.

 

DNA Metilasyonu

 

 

DNA metilasyonunda 5-metil sitozin (5mC) oluşumu, metil grubunun C5 pozisyonundaki sitozine dönüşümü ile gerçekleşir [5]. DNA'nın metilasyon işlemi için bir metil grubunun bağışı SAM (S-adenosil metiyonin) molekülünden gelir ve bu epigenetik işaretin oluşumu ve takibi Deoksiribonükleik Asit Metiltransferazlar (DNMT'ler) adı verilen modifikasyon enzim ailesi tarafından düzenlenir [6, 7].

İnsan genomu tarafından kodlanan beş Deoksiribonükleik Asit metiltransferazdan üçü (DNMT1, DNMT3A ve DNMT3B), DNA metilasyonundaki en önemli DNA metiltransferazlardır ve bunlar katalitik olarak aktif metiltransferazlar olarak sınıflandırılabilir. Bu üç Deoksiribonükleik Asit metiltransferazın aktiviteleri fetüsün erken yaşam evrelerinde gerçekleştiğinden, embriyonik gelişimde çok önemli bir role sahiptirler. Tamamen farklılaşan hücrelerde DNMT aktivitesi düşük ve stabilizedir [5, 6, 8].

 

DNA  Metilasyon Türleri

 

DNA metilasyonu baştan (de novo) ve sürdürme (maintenance) metilasyonu olarak ikiye ayrılabilir [9]. Baştan metilasyonun enzimleri, DNMT3A ve DNMT3B'dir. Değiştirilmemiş DNA bulunuyorsa, yeni metilasyon paterninin oluşturulması DNMT3A ve DNMT3B tarafından gerçekleştirilir [5, 8]. Metilasyonun ana aktivitesi, modifiye edilmemiş DNA molekülleri üzerinde DNMT3A tarafından belirlenir, ancak nükleozomun çekirdeğindeki DNMT3B metilasyon aktivitesi daha yüksektir [10].

Tatton Brown Rahman Sendromu, Miyelodisplastik Sendrom (MDS) ve Akut Miyeloid Lösemi (AML), Deoksiribonükleik Asit metiltransferaz 3A üzerindeki mutasyonlardan sonra görülen durumlardır; ICF Sendromu, DNMT3B'deki mutasyonlardan sonra görülür [11].

Baştan metillenmiş DNA'nın replikasyonu, hemimetillenmiş DNA olarak adlandırılan bir metillenmiş, bir metillenmemiş iplikle iki DNA kopyası ile sonuçlanır. Metilasyon sürecini sürdürmek için DNMT1 enzim aktivitesi, tamamen metillenmiş DNA moleküllerini dönüştürmek için hemimetillenmiş DNA'ların metillenmemiş ipliklerinde meydana gelir. Bu tür DNA metilasyonuna sürdürme DNA metilasyonu denir. Otozomal Dominant Serebellar Ataksi-Sağırlık (ADCA-DN) ve Narkolepsi ve Demanslı ve İşitme Kayblı Kalıtsal Duyusal Nöropati (HSN-IE), DNMT1 enzimi mutasyonlarının sonuçlarıdır [12].

DNMT3L, DNMT3A ve DNMT3B'nin [5] aktivitesinin uyarılmasından sorumlu olan, ancak katalitik olmayan bir DNA metiltransferazdır [5].

 

5'-C-fosfat-G-3' adaları

 

Hem simetrik hem de asimetrik metilasyon bitkilerde ve memelilerin somatik hücrelerinde meydana gelir; Metillenen alıcı sitozinlerin neredeyse tamamı, sitozin ve guanin arasında bir fosfat grubuna sahip olan 5'-C-fosfat-G -3' (kısaca CpG) dinükleotidinde bulunur [13].

CpG adaları, insan geninin promotör bölgelerinin çoğunda bulunan CpG dinükleotit oluşumu uzunluğunda bin baz çiftidir [13, 14]. Bir genin ekspresyonu, CpG'lerde bulunan gen gövdesinin hipermetilasyonu ile artmaktadır. Transkripsiyonel susturma, heterokromatik bir bölgenin oluşumu nedeniyle promotör konumlu CpG'lerin hipermetilasyonunun sonucudur. Aktif genlerin teşvik edildiği bölgelerde metillenmemiş CpG adacıkları gözlenmiştir [15]. CpG adalarının çevresinde 2 kilobaz uzunluğunda CpG ada kıyıları mevcuttur. CpG adası kıyılarında CpG adasından daha az metilasyon aktivitesi görülür [14, 15].

 

5-metil sitozinler, CpG dinükleotitten bulunabilir. Bu bölgeler, CpG olmayan olarak tanımlanabilir ve CpC, CpA, CpT siteleri olarak anılır. CpG olmayan metilasyon büyük olasılıkla CpA bölgesinde gerçekleşir. DNMT3A, DNMT3B ve DNMT3L ​​enzimleri bu tür metilasyondan sorumludur. DNMT1 enzimi dahil değildir. CpG olmayan bölgelerdeki metilasyon ile teşvik edici bölgelerdeki bir genin ekspresyonu arasında doğrudan bir orantı olmasına rağmen hipo CpG metilasyon aktivitesi üzerinde görülür. bu bölgeler. CpG olmayan metilasyonu genellikle farklılaşmaya uğramamış hücrelerde gözlenir [15].

 

Embriyonik Kök Hücreler (ES), dörtte bir oranında en yüksek CpG dışı metilasyon aktivitesine sahiptir [13, 15]. Nöronlar, İndüklenmiş Pluripotent Kök Hücreler (IPS), Oositler, Glial hücreler ve Somatik Hücre Nükleer Transferinden Türetilen Embriyonik Kök Hücreler, CpG metilasyon aktivitesi olmayan hücre örneklerinden bazılarıdır. CpG olmayan aktivite de cinsiyetler arasında farklılık gösterir; dişi embriyonik kök hücreler, erkek embriyonik kök hücrelerden daha düşük metillenir. DNMT'lerin aktivite seviyeleri bu duruma neden olabilir. Benzer şekilde, glial hücreler de nöronlardan daha az CpG  olmayanmetilasyon aktivitesine sahiptir [15].

 

X kromozomunun inaktivasyonu, genomik olarak damgalama, dokuya özgü genlerin ekspresyonunun düzenlenmesi ve retroviral elementlerin baskılanması gibi süreçlerde DNA metilasyonu çok önemlidir [5, 13].

 

Histon Modifikasyonu

 

 

Sekiz histon proteini, histon oktameri adı verilen nükleozom parçacığının çekirdeğinin merkezinde kompleks oluşturur. Histon proteini H2A, histon proteini H2B, histon proteini H3 ve histon proteini H4, sekiz histon proteinine ulaşmak için iki kopyaya sahiptir. Gen ekspresyonundaki diğer bir epigenetik mekanizma, histon proteinlerinde değişiklik gösterir. Histonlar, kromozom ile nükleozomu destekleyen ve oluşturan proteinlerdir. Arginin ve lizin kalıntıları bakımından zengindirler. Ana translasyon sonrası histon modifikasyonları dörde ayrılabilir: ubiquitination, metilasyon, asetilasyon ve fosforilasyon [16].

 

Asetilasyon

 

Asetilasyonun amacı, transkripsiyon sırasında gen ekspresyonu için nükleozomları açmaktır. Histonun kuyruğunda bulunan lizin kalıntısındaki amino asit grubuna aktarılan asetil grubu. Asetil grubu, histon asetiltransferazlar (HAT'lar) adı verilen bir enzimin aktivitesi ile Asetil Koenzim A molekülünden alınır. Paketi açma işlemi, histonlar üzerindeki pozitif yükün atılmasını içeren DNA histon protein ilişkisinin zayıflaması olarak da tanımlanabilir. Yükün kaldırılması, histon kuyruk yükünün pozitiften nötre değişmesine neden olur. Bu süreç tersine çevrilebilir olduğundan, tam tersi asetilasyon süreci düzenli olarak gerçekleşir ve buna deasetilasyon denir. Enzim histon deasetilazlar (HDAC'ler), su molekülleri ekleyerek lizine bağlı asetil grubunu atar. Nükleozom, gen sessizleşmesi ile sonuçlanan sıkı bir şekilde paketlenmiş konumuna geri döner [16].

 

Histon asetiltransferaz enziminin beş farklı ailesi vardır. KAT2A ve KAT2B enzimleri, histon asetiltransferazların en ünlü ailesinde bulunur: Genel Kontrol Bastırılamayan 5 (Gcn5) – ilgili N-Asetiltransferazlar (GNAT'lar). Hücre döngüsünün düzenlenmesi, sentrozom fonksiyonu, replikasyonu ve deoksiribonükleik asidin onarımı bu iki asetilasyon enziminin sorumluluğundadır. İkinci en büyük histon asetiltransferaz ailesi, MYST ailesidir. Bu aile, DNA onarımında aktif olan MOZ, Tip60, MORF, HBO1 ve hMOF enzimlerini içerir. Otomatik asetilasyon, enzim düzenlemesini içerir. Tüm histon alt birimlerinin asetilasyonunu katalize edebilen aile, KAT3A ve KAT3B enzimlerine sahip p300/CBP ailesidir [16].

 

HDAC dört sınıfa ayrılır ve on sekiz enzimi vardır [4, 16].

 

Metilasyon

 

Metilasyonun amacı, gen transkripsiyon aktivitesini pozitif veya negatif olarak değiştirmek için metil gruplarını transfer etmektir. S-adenosil metiyoninden gelen üç metil grubu, lizin için histon metiltransferaz (HMT) ve arginin için protein arginin metiltransferaz (PRMT) enzimleri yardımıyla lizin ve arginin kalıntılarındaki amino asitlere bağlanır. Histon metiltransferaz enziminde yaklaşık 140 amino asitten oluşan korunmuş bir motif dizisi, SET alanı bulunur [16]. Histonların metilasyonu genellikle transkripsiyonel olarak baskılanmaya neden olur [17]. Histon metilasyonu için ana histon proteini H3'tür.

 

Lizin tortusu metilasyonu, mono-metilasyon, di-metilasyon ve tri-metilasyon aşamalarını içerir. Bir genin aktivasyonu, H3K79, H3K36 ve H3K4'ün ortalama H3 histon dördüncü lizin tortusu trimetilasyonu olan H3K4me3 işareti ile demetilasyonu veya trimetilasyonu ile gerçekleşir. Aktivasyon için başka bir işaret, H3K4'ün mono metilasyonudur. Bir genin baskılanması, H3K9 ve H3K27'nin metilasyonu ile gerçekleşir. Dinamik gen düzenlemesinde kolayca tersine çevrilebilen önemli bir belirteç H3K27me3'tür [18].

 

Gen ekspresyonu üzerindeki arginin tortusu metilasyonu hakkında bilgi, karmaşıklığı nedeniyle lizin tortusu metilasyonundan daha azdır. H3R2, H3R17, H3R26 ve H4R3 histonlarındaki metilasyon, ADMA ve MMA tarafından baskındır. Transkripsiyondaki susturucular genellikle H3R8me2s ve H4R3me2s ile ilişkilidir [18].

 

Fosforilasyon

 

Fosforilasyonun amacı, histon proteinine negatif bir yük ekleyerek daha açık bir kromatin yapısı elde etmektir. Histon N-terminalinin kuyruğundaki serin, treonin ve tirozin kalıntıları fosforilasyonun gerçekleştiği ana yerdir [19]. Bu süreç aynı zamanda histonun metilasyonu ve asetilasyonu gibi tersine çevrilebilir. Kinaz enzimleri (yTel1 & yMec1) fosfat ilavesinden sorumludur ve aksine fosfataz enzimleri bu fosfat gruplarının uzaklaştırılmasından sorumludur [16]. Histonların fosforilasyonunun işlevleri, DNA'nın onarımı, kromatinin yeniden şekillenmesi ve bir genin ifadesinin düzenlenmesidir [16, 19, 20]. Farklı olarak, histon fosforilasyonu, diğer histon modifikasyon mekanizmalarıyla birlikte çalışarak karşılıklı bir ilişki oluşturur. Örneğin, H3 histonunun asetilasyonu ve S28, H3S10, T11 fosforilasyonu, bir genin aktivasyonu ile ilişkilidir [16, 21]. DNA hasar onarımı sırasında serin 139'da histon H2A(X) üzerinde fosforilasyon görülür. Protein epidermal büyüme faktörü (EGF), gen ekspresyonunu aktive etmek için serin 10 (histon H3), serin 28 (histon H3) ve serin 32'de (histon H2B) fosforilasyonu uyarır [21].

 

Referanslar

 

1. Moosavi, A., & Motevalizadeh Ardekani, A. (2016). Role of Epigenetics in Biology and Human Diseases. Iranian Biomedical Journal, 20(5), 246–258. https://doi.org/10.22045/ibj.2016.01

2. Hamilton, J. P. (2011). Epigenetics: Principles and Practice. Digestive Diseases, 29(2), 130–135. https://doi.org/10.1159/000323874

3. Al-Hasani, K., Mathiyalagan, P., & El-Osta, A. (2019). Epigenetics, cardiovascular disease, and cellular reprogramming. Journal of Molecular and Cellular Cardiology, 128, 129–133. https://doi.org/10.1016/j.yjmcc.2019.01.019

4. Al Aboud, N. M., Tupper, C., & Jialal, I. (2021). Genetics, Epigenetic Mechanism. PubMed; StatPearls Publishing. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30422591/

5. Moore, L. D., Le, T., & Fan, G. (2012). DNA Methylation and Its Basic Function. Neuropsychopharmacology, 38(1), 23–38. https://doi.org/10.1038/npp.2012.112

6. Lyko, F. (2017). The DNA methyltransferase family: a versatile toolkit for epigenetic regulation. Nature Reviews Genetics, 19(2), 81–92. https://doi.org/10.1038/nrg.2017.80

7. Wang, Y., Sun, Z., & Szyf, M. (2017). S-adenosyl-methionine (SAM) alters the transcriptome and methylome and specifically blocks growth and invasiveness of liver cancer cells. Oncotarget, 8(67), 111866–111881. https://doi.org/10.18632/oncotarget.22942

8. Uysal, F., Ozturk, S., & Akkoyunlu, G. (2017). DNMT1, DNMT3A and DNMT3B proteins are differently expressed in mouse oocytes and early embryos. Journal of Molecular Histology, 48(5-6), 417–426. https://doi.org/10.1007/s10735-017-9739-y

9. Li, E., & Zhang, Y. (2014). DNA Methylation in Mammals. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 6(5), a019133–a019133. https://doi.org/10.1101/cshperspect.a019133

10. Takeshima, H., Suetake, I., Shimahara, H., Ura, K., Tate, S., & Tajima, S. (2006). Distinct DNA Methylation Activity of Dnmt3a and Dnmt3b towards Naked and Nucleosomal DNA. The Journal of Biochemistry, 139(3), 503–515. https://doi.org/10.1093/jb/mvj044

11. Cui, D., & Xu, X. (2018). DNA Methyltransferases, DNA Methylation, and Age-Associated Cognitive Function. International Journal of Molecular Sciences, 19(5), 1315. https://doi.org/10.3390/ijms19051315

12. Maresca, A., Del Dotto, V., Capristo, M., Scimonelli, E., Tagliavini, F., Morandi, L., … La Morgia, C. (2020). DNMT1 mutations leading to neurodegeneration paradoxically reflect on mitochondrial metabolism. Human Molecular Genetics, 29(11), 1864–1881. https://doi.org/10.1093/hmg/ddaa014

13. Jin, B., Li, Y., & Robertson, K. D. (2011). DNA Methylation: Superior or Subordinate in the Epigenetic Hierarchy? Genes & Cancer, 2(6), 607–617. https://doi.org/10.1177/1947601910393957

14. Mitsumori, R., Sakaguchi, K., Shigemizu, D., Mori, T., Akiyama, S., Ozaki, K., … Shimoda, N. (2020). Lower DNA methylation levels in CpG island shores of CR1, CLU, and PICALM in the blood of Japanese Alzheimer’s disease patients. PLOS ONE, 15(9), e0239196. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0239196

15. CpG and Non-CpG Methylation in Epigenetic Gene Regulation and Brain Function. (2017). Genes, 8(6), 148. https://doi.org/10.3390/genes8060148

16. Alaskhar Alhamwe, B., Khalaila, R., Wolf, J., von Bülow, V., Harb, H., Alhamdan, F., … Potaczek, D. P. (2018). Histone modifications and their role in epigenetics of atopy and allergic diseases. Allergy, Asthma & Clinical Immunology, 14(1). https://doi.org/10.1186/s13223-018-0259-4

17. Bradshaw, R. A., & Dennis, E. A. (2010). Handbook of cell signaling. 3. Elsevier ; Ap.

18. Jambhekar, A., Dhall, A., & Shi, Y. (2019). Roles and regulation of histone methylation in animal development. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 20(10), 625–641. https://doi.org/10.1038/s41580-019-0151-1

19. Epigenetics And Reproductive Health. (2020).

20. Rossetto, D., Avvakumov, N., & Côté, J. (2012). Histone phosphorylation. Epigenetics, 7(10), 1098–1108. https://doi.org/10.4161/epi.21975

21. Palacios, D. (2019). Epigenetics and regeneration. Grossbritannien Academic Press Inc.