CAPMEM – вълнуващ поглед в света на епигенетиката

EUROPEAN COMMISSION
Research Executive Agency
Marie Curie Actions – Inta-European Fellowships for Career Development

Comparative Analysis of Plant and Mammalian DNA Methylation Functions in Epigenetic Arabidopsis Mutants (CAPMEM)

Проект, финансиран по програмата Marie Curie FP7-PEOPLE-2012-IEF

Изследванията се извършват в Лабораторията по растителна епигенетика на проф. Peter Meyer, Университет в Лийдс, Лийдс, Великобритания

Водещ изследовател – д-р Валя Василева

Eпигенетиката е сравнително нова наука (επί– на гръцки означава „над”, „извън пределите”, т.е. „надгенетика”), изучаваща измененията в активността на гените, предизвикани от биохимични модификации на ДНК и свързаните с нея хистонови белтъци. Тези модификации се диктуват от ензими, които активират или деактивират определени гени или участъци от ДНК без промяна на последователността на базите на ДНК.

Епигенетиката е навсякъде. Тя определя проявата на гените при всички живи същества в природата – бактерии,  гъби, растения и животни. Епигенетиката осигурява връзката между генетичната природа, отглеждането и възпитанието, тъй като епигенетичните изменения се предизвикват от външни фактори, като хранене, стрес, хормони. Храната, климатът и начинът ни на живот препрограмират човешкото здраве на епигенетично ниво, като водят до химични модификации, включващи или изключващи определени гени. При редица сериозни заболявания като Алцхаймер, тумори, диабет, множествена склероза и депресии, някои гени са в състояние на активност, обратно на нормалното.

Епигенетиката ни прави уникални. Епигенетичните състояния контролират специализирането и диференцирането на клетките, позволявайки клетки с еднакъв генетичен материал да имат напълно различни характеристики и функции. Всеки индивидуален организъм има един тип геном, но множество епигеноми, различаващи се според типа на клетките и тъканите. Те обясняват защо хората са различни по темперамент, интереси, поведение и вкус. Активирането/деактивирането на различни гени и комбинации от гени прави всеки човек уникален. Някои от тези епигенетични изменения могат да се предават от поколение на поколение.

Някои епигенетични изменения са обратими. За разлика от генетичните промени, някои епигенетични изменения са обратими и следователно могат да бъдат повлияни от външни фактори и терапия. Ако се картира ефектът на всяко изменение в активността на даден ген в комбинация с други гени, биха могли да се елиминират „неблагоприятните” състояния на гена.

Засега са известни поне три системи, иницииращи и поддържащи епигенетичните промени: метилиране на ДНК, модифициране на хистоните, и заглушаване на гените чрез некодиращи РНКи (ncRNA).

Изследванията по проект CAPMEM са насочени към метилирането на ДНК – ключова епигенетична модификация, при която се прибавя метилова група (CH3) към ДНК молекулата чрез ензими, наречени метилтрансферази. Модификациите се извършват на местата, където една от нуклеотидните бази на ДНК, цитозин, предхожда друга, гуанин, като те са разположени пред генната последователност в област, наречена промотор. Метилирането в областта на промотора променя нивото на експресия на гена, като действа като препятствие, което пречи на молекулярната машина достъп до ДНК. По-просто казано, когато един промотор е метилиран, генът е неактивен или с намалена активност. Но метилирането на ДНК води и до активиране на някои гени.

Значимост на метилирането на ДНК

ДНК метилирането е жизнено важно за нормалния растеж и развитие на организмите. Метилирането в най-ранните етапи на развитие позволява от ембрионалните стволови клетки да се развият различни типове клетки, които образуват различните органи, тъкани и системи в тялото. Разпределението на ДНК метилирането e специфично за всяка клетка и тип тъкан и може да се използва като средство за идентификация (fingerprint).

Чрез промени в метилирането при стресови външни въздействия, молекулярната машина адаптира организма към околните условия. След като вече са настъпили, тези приспособителни промени могат да бъдат унаследени в поколенията в дългосрочен план.

Промяната в метилирането е в основата на редица тежки заболявания. При всички изследвани типове тумори се наблюдава загуба на метилиране в участъците, където повечето CG нуклеотиди трябва да са метилирани, и увеличена честота на метилиране в CG местата в промоторите на гените. Известни са заболявания, като диабет, проблеми с коронарните съдове и заболявания на дихателните пътища, които се развиват в по-късна възраст, но силно зависят от условията, при които човекът е отгледан. Те са свързани с промененото метилиране на определени ДНК участъци през ранна детска възраст.

Растенията като модел за изследване на ДНК метилирането

Изследванията в областта на ДНК метилирането са силно затруднени от факта, че животинските организми с мутации в системите на метилиране не могат да оживеят и дадат поколение. Затова се търсят алтернативни експериментални системи за изследване на процесите на метилиране и деметилиране. Интересен е фактът, че механизмите на метилиране в бозаниците са сходни с тези в растенията. За разлика от бозайниците обаче, растенията са толерантни към промени или липса на метилиране и могат да дадат поколение, което ги прави чудесна експериментална система за проучване на механизмите на метилиране. Това прави възможно възстановяването на системите за метилиране в растителните мутанти чрез генетични кръстоски или директен пренос на ДНК.

В тази връзка, една от основните цели на проект CAPMEM е използването на моделното растение Arabidopsis thaliana като система за проучване и сравняване на механизмите на метилиране при бозайници и растения. Изследват се консервативните и дивергентни характеристики на две двойки ензими: метилтрансферазите MET1/DNMT1 и хеликазите DDM1/LSH, които са от решаващо значение за поддържането на ДНК метилирането в растения и бозайници.

Растението Arabidopsis е ценен модел за идентифициране на гени и проучване на техните функции. То притежава кратък генерационен цикъл, висока плътност на гените, проста структура, достъпност за генетични манипулации и малък секвениран геном. Извършените по проект CAPMEM експерименти целят да докажат, че Arabidopsis може да служи и като система за експресиране на рекомбинантни хетероложни протеини с цел характеризиране на основни регулатори на ДНК метилирането. Тази информация има важно приложение в медицината с цел разработване на нови диагностични инструменти.

ДНК метилиране и абиотичен стрес

Изследванията по проект CAPMEM са насочени и към връзката между измененията в метилирането на ДНК и адаптацията на растенията към стресови абиотични фактори. Обикновено тези промени имат за резултат променена експресия на редица гени, като някои от тях са обратими, а други се унаследяват. Последните са важна предпоставка за трайни адаптационни изменения и оцеляване на растенията в екстремни условия.

Проектът изследва ефекта на високи и ниски температури, както и на осмотичен стрес, върху мутанти с дезактивирани метилтрасферази и/или хеликази. Анализират се участъци на генома, които са променени епигенетично, стабилността на тези промени и тяхното унаследяване, както и влиянието им върху активността на индивидуални гени.

В интернет

Намерете ни на адрес:
http://www.ifrg-bg.com/

Пишете ни

Електронна поща:
ifrg@bio21.bas.bg

Елате да се запознаем

ул. 'Акад. Георги Бончев', бл. 21
гр. София 1113, България

Свържете се с нас

Тел.: +359 2 9792606
Тел.: +359 2 8728170
Факс: +359 2 8739952