Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Další písmeno epigenetického kódu

aneb Naše DNA obsahuje nejméně šest různých bází
 |  5. 5. 2011
 |  Vesmír 90, 299, 2011/5

Genetická informace je kódována pořadím deoxyribonukleotidů v dvouřetězcových molekulách DNA. Jednotlivé deoxyribonukleotidy se liší nukleovou bází. Naše DNA obsahuje čtyři základní báze: adenin (A), cytosin (C), guanin (G) a thymin (T). Adenin na jednom řetězci se páruje s thyminem na druhém komplementárním řetězci a obdobně se cytosin páruje s guaninem.

Vedle čtyř základních bází obsahuje DNA také chemicky pozměněné základní – tzv. modifikované báze. Některé z nich mohou vzniknout vlivem působení mutagenů. Pokud tyto změny způsobí chybné párování bází, může dojít k dědičné změně genetické informace. Naštěstí existují opravné mechanismy, které takto změněné báze odstraňují a jejich podíl v DNA tak není velký. Existují však cíleně modifikované báze, které vznikají působením tzv. DNA modifikujících enzymů a kterých může být v DNA i několik procent. Ačkoliv se normálně párují, ovlivňují strukturu DNA a plní určité biologické funkce. Nejvíce typů modifikovaných bází bylo nalezeno především u virů a bakterií.

Donedávna jedinou dominantní modifikovanou bází v naší DNA byl 5-methylcytosin (mC), někdy pro svoji četnost označovaný jako pátá báze. Methylcytosin je pro nás životně důležitý, je nositelem jedné z nejdůležitějších epigenetických informací, které určují aktivitu našich genů, a tím i vývoj a funkci našeho těla. Obecně lze říci, že geny, které ve svých promotorech obsahují methylcytosiny, jsou umlčeny. Heterochromatin, oblast genomu, kde se geny nepoužívají, obsahuje mnohem více mC než euchromatin, oblast genomu s aktivními geny. Změny v methylaci DNA doprovázejí řadu onemocnění včetně nádorových.

V roce 2009 však Skirmantas Kriaucionis a Nathaniel Heintz přišli s překvapivým objevem.1) Autorům se podařilo oddělit od sebe dva typy myších mozkových buněk lišících se velikostí jádra. Zatímco Purkyňovy buňky mají velká euchromatinová jádra, granulární buňky mají jádra malá, s typickým rozmístěním heterochromatinu. Pomocí tenkovrstvé chromatografie autoři analyzovali nukleotidové složení jaderných DNA. U Purkyňových buněk si všimli kromě pěti očekávaných signálů odpovídajících A, C, G, T a mC ještě šestého signálu neznámé komponenty. Pomocí řady dalších metod prokázali, že jde o nukleotid obsahující 5-hydroxymethylcytosin (hmC).

Doposud byl tento nukleotid zjištěn především v DNA bakteriofágů označovaných jako T-sudé. Hydroxymethylcytosin může vznikat z methylcytosinu při oxidativním poškození DNA. Tento původ autoři vyloučili vzhledem ke specifickému a poměrně vysokému obsahu hmC v jádrech Purkyňových buněk. Zde se hmC vyskytuje na úkor mC a jeho množství dosahuje až 40 % celkového množství modifikovaných cytosinů. Obsah mC v jádrech je tedy u Purkyňových buněk nižší než u granulárních buňek.

Pokud se prokáže, že se hmC a mC liší svým vlivem na strukturu chromatinu, mohlo by to vysvětlit větší objem a euchromatinový charakter jader Purkyňových buněk. Nejvíce hmC obsahuje mozková tkáň, kde se navíc množství hmC s věkem zvyšuje (0,1 až 0,5 % všech nukleotidů v genomu). Relativně vysoké procento hmC obsahují také tkáně jater, ledvin a střeva (<0,3 %), méně hmC je obsaženo ve tkáních plic, srdce, placenty a prsu (<0,1 %) a nejméně hmC bylo zjištěno v buněčných liniích včetně kmenových embryonálních buňek (<0,05 %). V nádorových tkáních byl obsah hmC snížen asi o třetinu až čtvrtinu vzhledem k normálním tkáním. Hydroxymethylcytosin byl zjištěn ještě v rybím zárodku. Zda se vyskytuje také u bezobratlých nebo v rostlinách, zatím není známo.

Ve stejném čísle časopisu Science vědci z laboratoře Anjana Rao publikovali objev savčích TET proteinů, které katalyzují přeměnu mC na hmC.2) U člověka a myši byly nalezeny tři geny kódující funkční TET proteiny (TET1TET3). Chybná funkce TET proteinů byla popsána u myeloidních leukémií.3) TET1 protein je nutný také pro správný embryonální vývoj.4) To by mohlo znamenat, že objevené TET proteiny se účastní záhadného a dosud ne zcela popsaného mechanismu aktivní demethylace DNA. Přeměna mC na hmC může být totiž součástí tohoto procesu, i když reakční krok vedoucí od hmC k C nebyl dosud popsán.

Abychom mohli studovat význam a funkci hmC, potřebujeme vhodné metody jeho detekce spolehlivě odlišující C, mC a hmC. Přitom zásadní jsou metody, které by dokázaly určit polohu hmC v DNA. Zjištění, že hydrogensiřičitanové genomové sekvenování, běžně používané pro detekci mC, neodliší mC od hmC, bylo jistě důvodem mnoha bezesných nocí pro vědce, kteří se věnují analýze rozmístění mC v genomu. Dosud identifikované pozice mC touto metodou mohou být totiž ve skutečnosti obsazeny jak mC, tak i hmC. Vzhledem k tomu, že tyto dvě modifikace s velkou pravděpodobností neplní stejnou roli, bude nutné řadu výsledků ověřit. Avšak vhodná metoda pro studium pozic dvou modifikovaných cytosinů a pochopení funkce hmC stále čeká na své objevitele.

Poznámky

1) Kriaucionis S., Heintz N., Science, 324, 929–930, 2009.

2) Tahiliani M., Koh K. P., Shen Y., Pastor W. A., Bandukwala H., Brudno Y., Agarwal S., Iyer L. M., Liu D. R., Aravind L., Rao A., Science, 324, 930–935, 2009.

3) Ko M., Huang Y., Jankowska A. M., Pape U. J., Tahiliani M., Bandukwala H. S., An J., Lamperti E. D., Koh K. P., Ganetzky R., Liu X.S., Aravind L., Agarwal S., Maciejewski J. P., Rao A., Nature 468, 839–843, 2010.

4) Ito S., D‘Alessio A. C., Taranova O. V., Hong K., Sowers L. C., Zhang Y., Nature 466, 1129–1133, 2010.

SLOVNÍČEK

Epigenetická informace – informace rozhodující o aktivitě jednotlivých genů, která je zapsána nezávisle na pořadí nukleotidů (genetické informaci). Může se dědit, ale na rozdíl od genetické informace se zpravidla neřídí Mendelovými zákony dědičnosti. Epigenetická informace je zapisována, vymazávána a čtena řadou speciálních proteinových komplexů a může být ovlivněna vnějším prostředím. Nositeli epigenetické informace jsou například methylcytosiny, modifikované histony a krátké molekuly RNA.

Promotor – úsek DNA většinou před genem, který je nezbytný pro jeho transkripci (přepsání do RNA).

Hydrogensiřičitanové genomové sekvenování – dosud používaná metoda pro zjištění přesných pozic 5-methylcytosinů v DNA dnes běžně i na celogenomové úrovni. Je založena na specifické reakci cytosinů s hydrogensiřičitanem, která se využívá k převedení (deaminaci) všech cytosinů na uracily. Uracily se v následující polymerázové řetězové reakci (PCR) párují s adeniny, a tak dochází ke změně původní sekvence. To znamená, že všechny původní cytosiny jsou nahrazeny thyminy a původní methylcytosiny, které s hydrogensiřičitanem nereagují, jsou detekovány jako cytosiny (podrobně viz Fulneček J.: Jak zjistit polohu „páté báze“ v DNA?, Živa, 1, 2–4, 1999). Tato metoda bohužel nedokáže odlišit 5-methylcytosiny a 5-hydroxymethylcytosiny.

Metody detekce 5-hydroxymethylcytosinu – Pro stanovení celkového množství C, mC a hmC v DNA lze použít již zmíněnou tenkovrstvou chromatografii nebo vysokotlakou kapalinovou chromatografii či hmotnostní spektroskopii. Dnes máme k dispozici specifické protilátky, které lze použít jak pro stanovení celkového množství, tak i pro analýzu lokus specifického výskytu hmC.

Hydroxymethylcytosiny lze také označit připojením glukózy na hydroxymethylovou skupinu pomocí beta-glukosyltransferázy z bakteriofága T4 nebo připojením alifatických thiolů pomocí bakteriálních DNA-(cytosin-5)-methyltransferas. Přímé sekvenování DNA vláken pomocí nanopórů, během něhož se jednotlivé báze identifikují měřením fyzikálních veličin při průchodu DNA malým otvorem, pravděpodobně odhalí přesné pozice C, mC a hmC. Tato převratná metoda je však zatím ještě ve fázi vývoje.

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Genetika
RUBRIKA: Glosy

O autorovi

Jaroslav Fulneček

Mgr. Jaroslav Fulneček, CSc., (*1972) vystudoval biochemii na Přírodovědecké fakultě MU v Brně. Pracuje v Biofyzikálním ústavu AV ČR, v. v. i., kde se věnuje studiu složení a funkce rostlinného genomu.

Doporučujeme

Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...
Hranice svobody

Hranice svobody uzamčeno

Stefan Segi  |  4. 12. 2017
Podle listiny základních práv a svobod, která je integrovaná i v Ústavě ČR, jsou „svoboda projevu a právo na informace zaručeny“ a „cenzura je...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné