Demetylace DNA - DNA demethylation

Methylace DNA je přidání a methyl skupina k DNA, která se děje v cytosin. Obrázek ukazuje cytosinovou jednoduchou kruhovou bázi a methylovou skupinu přidanou k uhlíku. U savců dochází k methylaci DNA téměř výlučně u cytosinu, za kterým následuje a guanin.

U savců DNA demetylace způsobí nahrazení 5-methylcytosin (5 mC) v sekvenci DNA do cytosin (C) (viz obrázek 5mC a C). Demethylace DNA může nastat aktivním procesem v místě 5 mC v sekvenci DNA nebo v replikujících se buňkách zabráněním přidání methylových skupin k DNA tak, že replikovaná DNA bude mít v sekvenci DNA převážně cytosin (5 mC bude zředěno ven).

Methylovaný cytosin je často přítomen v lineárním Sekvence DNA kde po cytosinu následuje a guanin v 5 '→ 3' směr (A CpG stránky ). U savců DNA methyltransferázy (které přidávají methylové skupiny na DNA báze) vykazují silnou preferenci sekvence pro cytosiny v (CpG stránky ).[1] Zdá se, že v lidském genomu je více než 20 milionů CpG dinukleotidů (viz genomová distribuce ). U savců je v průměru 70% až 80% CpG cytosinů methylováno,[2] i když úroveň methylace se u různých tkání liší. Methylované cytosiny často se vyskytují ve skupinách nebo CpG ostrovy v rámci promotorové oblasti genů, kde taková methylace může snížit nebo umlčet genovou expresi (viz genová exprese ). Methylované cytosiny v těle genu však pozitivně korelují s expresí.[3]

Téměř 100% demetylace DNA nastává kombinací pasivního ředění a aktivního enzymatického odstranění během přeprogramování který se vyskytuje v časná embryogeneze a v gametogeneze. Další velká demetylace, přibližně 3% všech genů, může nastat aktivní demetylací v neuronech během formování silné paměti.[4] Po operaci se demetylace nacházejí v mononukleárních buňkách periferní krve na místech anotovaných geny imunitního systému.[5] Demetylace se vyskytují také při tvorbě rakoviny.[6] Během globální hypomethylace DNA nádorových genomů dochází k mírnému až střednímu snížení počtu methylovaných cytosinů (5 mC), což vede ke ztrátě přibližně 5% až 20% v průměru 5 mC bází.[7]

Embryonální vývoj

Úrovně methylace během časného embryonálního vývoje myší.

Časný embryonální vývoj

Myš spermie genom je 80–90% methylovaný na jeho CpG stránky v DNA, což představuje přibližně 20 milionů methylovaných míst.[Citace je zapotřebí ] Po oplodnění, otcovský chromozom je téměř úplně demetylovaný za šest hodin aktivním procesem, před replikací DNA (modrá čára na obrázku).

K demetylaci mateřského genomu dochází jiným procesem. V dospělosti oocyt asi 40% jeho CpG míst v DNA je methylováno. Zatímco somatické buňky savců mají tři hlavní DNA methyltransferázy (které přidávají methylové skupiny k cytosinům na CpG místech), DNMT1, DNMT3A, a DNMT3B, v preimplantačním embryu až do stadia blastocysty (viz obrázek) je jedinou přítomnou methyltransferázou izoforma DNMT1 označená DNMT1o.[8] DNMT1o má alternativní oocytově specifický promotor a první exon (exon 1o) nacházející se 5 'od somatických a spermatocytových promotorů. Jak přezkoumali Howell a kol.,[8] DNMT1o je izolován v cytoplazmě zralých oocytů a ve 2-buněčných a 4-buněčných embryích, ale v 8-buněčné fázi je přítomen pouze v jádře. Ve stadiu 16 buněk ( morula ) DNMT1o se opět nachází pouze v cytoplazmě. Ukazuje se, že demetylace mateřských chromozomů do značné míry probíhá blokováním vstupu methylačního enzymu DNMT1o do jádra, s výjimkou krátkého stádia 8 buněk. DNA mateřského původu tak prochází pasivní demetylací zředěním methylované mateřské DNA během replikace (červená čára na obrázku). The morula (ve fázi 16 buněk), má jen malé množství Methylace DNA (černá čára na obrázku).

DNMT3b začíná být exprimován v blastocystě.[9] Methylace se začíná zvyšovat 3,5 dne po oplodnění v blastocyst, a velká vlna methylace pak nastane ve dnech 4,5 až 5,5 v epiblast, od 12% do 62% methylace a dosažení maximální úrovně po implantaci do dělohy.[10] Sedmý den po oplodnění se nově vytvořil prvotní zárodečné buňky (PGC) v implantovaném embryo oddělit od zbývajících somatické buňky. V tomto okamžiku mají PGC přibližně stejnou úroveň methylace jako somatické buňky.

Gametogeneze

Nově vytvořené primordiální zárodečné buňky (PGC) v implantovaném embryu přecházejí ze somatických buněk. V tomto okamžiku mají PGC vysoké úrovně methylace. Tyto buňky migrují z epiblastu směrem k gonadální hřeben. Jak přezkoumali Messerschmidt et al.,[11] většina PGC je zastavena ve fázi G2 buněčného cyklu, zatímco migrují směrem k zadnímu střevu během embryonálních dnů 7,5 až 8,5. Poté probíhá demetylace PGC ve dvou vlnách.[11] V den 9.5 se primordiální zárodečné buňky začaly rychle replikovat a pohybovaly se od přibližně 200 PGC v den embrya 9,5 do přibližně 10 000 PGC v den 12,5.[12] Během dnů 9,5 až 12,5 jsou DNMT3a a DNMT3b potlačovány a DNMT1 je v jádře přítomný na vysoké úrovni. Ale DNMT1 není schopen methylovat cytosiny během dnů 9,5 až 12,5, protože UHRF1 gen (také známý jako NP95) je potlačen a UHRF1 je nezbytný protein potřebný k náboru DNMT1 do replikačních ohnisek, kde probíhá udržovací methylace DNA.[12] Toto je pasivní, ředicí forma demetylace.

Kromě toho od 9.5 do 13.5 dne embrya existuje aktivní forma demetylace. Jak je uvedeno níže v části „Molekulární stádia aktivního přeprogramování“, jsou pro aktivní demethylaci ústřední dva enzymy. Jedná se o translokaci deseti jedenácti methylcytosin dioxygenáza (TET) a thymin-DNA glykosyláza (TDG). Jeden konkrétní enzym TET, TET1 a TDG jsou přítomny ve vysokých hladinách od embryonálního dne 9.5 do 13.5,[12] a jsou použity v aktivní demethylaci během gametogeneze.[11] Genomy PGC vykazují nejnižší hladiny methylace DNA ze všech buněk v celém životním cyklu myši v embryonální den 13.5. [13]

Učení a paměť

Oblasti mozku zapojené do formování paměti

Učení a paměť mají úrovně trvalosti, které se liší od jiných mentálních procesů, jako jsou myšlení, jazyk a vědomí, které jsou dočasné povahy. Učení a paměť lze akumulovat pomalu (multiplikační tabulky) nebo rychle (dotýkat se horkých kamen), ale jakmile je dosaženo, lze je znovu vyvolat k vědomému používání po dlouhou dobu. Krysy byly podrobeny jednomu případu kontextuální podmiňování strachu vytvořit obzvláště silnou dlouhodobou paměť. Za 24 hodin po tréninku bylo zjištěno, že 9,17% genů v genomech potkaních hipokampových neuronů je odlišně methylovaný. To zahrnovalo více než 2 000 rozdílně methylovaných genů 24 hodin po tréninku, přičemž více než 500 genů bylo demethylováno.[4] Podobné výsledky jako u krysího hipokampu byly také získány u myší s kontextuální kondicionací strachu.[14]

V oblasti hipokampu v mozku se nejprve ukládají kontextové vzpomínky na strach (viz obrázek mozku, tato část), ale toto úložiště je přechodné a nezůstává v hipokampu. U potkanů ​​je kontextuální kondicionování strachu zrušeno, když je hipokampus podroben hipokampektomii jen jeden den po kondicionování, ale krysy si zachovávají značné množství kontextuálního strachu, když je hipokampektomie odložena o čtyři týdny.[15] U myší vyšetřovaných 4 týdny po kondicionaci došlo k obrácení methylací a demetylací hipokampu (hipokampus je nutný k vytvoření vzpomínek, ale paměti se tam neukládají), zatímco k podstatné diferenciální methylaci a demetylaci CpG došlo kortikální neurony během údržby paměti. Čtyři týdny po kontextuální kondicionaci strachu bylo v přední cingulární kůře myší 1223 odlišně methylovaných genů. I když tedy v hipokampu bylo krátce po vytvoření paměti mnoho methylací, všechny tyto methylace v hipokampu byly demetylovány již o čtyři týdny později.

Demetylace u rakoviny

Lidský genom obsahuje asi 28 milionů CpG míst a zhruba 60% CpG míst je methylováno v poloze 5 cytosinu. [16] Během vzniku rakoviny dochází k průměrnému snížení počtu methylovaných cytosinů přibližně o 5% až 20%,[17] nebo přibližně 840,00 až 3,4 milionu demetylací stránek CpG.

DNMT1 methyláty CpG na hemi-methylované DNA během replikace DNA. Když tedy řetězec DNA má methylovaný CpG a nově replikovanému řetězci během semikonzervativní replikace chybí methylová skupina na komplementární CpG, DNMT1 se normálně získává na hemimethylované místo a přidává methylovou skupinu k cytosinu v nově syntetizovaném CpG . Nábor DNMT1 na hemimethylovaná CpG místa během replikace DNA však závisí na UHRF1 protein. Pokud se UHRF1 neváže na hemimethylované CpG místo, pak DNMT1 není přijímán a nemůže methylovat nově syntetizované CpG místo. Arginin methyltransferáza PRMT6 reguluje methylaci DNA methylací argininu v poloze 2 histon 3 (H3R2me2a).[18] (Vidět Methylace bílkovin # Arginin.) V přítomnosti H3R2me2a se UHRF1 nemůže vázat na hemimethylované CpG místo, a pak DNMT1 není přijímán do místa a místo zůstává hemimethylované. Po dalších cyklech replikace se methylovaný CpG pasivně zředí. PRMT6 je často nadměrně exprimován v mnoha typech rakovinných buněk.[19] Nadměrná exprese PRMT6 může být zdrojem demetylace DNA u rakoviny.

Molekulární fáze aktivního přeprogramování

K aktivnímu, enzymatickému přeprogramování jsou zapotřebí tři molekulární stupně DNA methylome. Fáze 1: Nábor. Enzymy potřebné k přeprogramování jsou přijímány na genomová místa, která vyžadují demetylaci nebo methylaci. Fáze 2: Implementace. Probíhají počáteční enzymatické reakce. V případě methylace se jedná o krátký krok, který vede k methylaci cytosinu na 5-methylcytosin. Fáze 3: Oprava DNA pomocí základní excize. Meziprodukty demethylace jsou katalyzovány specifickými enzymy bazální excizní opravné dráhy DNA, které nakonec obnovují cystosin v sekvenci DNA.

Fáze 2 aktivní demetylace

Demetylace 5-methylcytosinu. Demetylace 5-methylcytosinu (5 mC) v neuronové DNA. Při kontrole v roce 2018[20] v mozkových neuronech je 5mC oxidován generací TET dioxygenázy 5-hydroxymethylcytosin (5 hmC). V postupných krocích a Enzym TET dále hydroxyláty 5hmC za vzniku 5-formylcytosinu (5fC) a 5-karboxylcytosinu (5caC). Thymin-DNA glykosyláza (TDG) rozpoznává meziproduktové báze 5fC a 5caC a štěpí glykosidovou vazbu, což vede k apyrimidinovému místu (AP místo). V alternativní oxidační deaminační cestě může být 5hmC oxidačně deaminováno aktivitou vyvolanou cytidindeaminázou / apolipoproteinem B mRNA editačním komplexem (AID / APOBEC) za vzniku 5-hydroxymethyluracilu (5hmU). 5mC lze také převést na thymin (Thy). 5hmU lze štěpit pomocí TDG, jednořetězcově selektivní monofunkční uracil-DNA glykosylázy 1 (SMUG1), Nei-Like DNA glykosylázy 1 (NEIL1) nebo proteinu vázajícího methyl-CpG 4 (MBD4). Nesprávná párování AP míst a T: G se poté opraví pomocí enzymů základní excizní opravy (BER) za vzniku cytosinu (Cyt).

Demetylace 5-methylcytosinu za vzniku 5-hydroxymethylcytosin (5hmC) velmi často zpočátku zahrnuje oxidaci 5mC deseti jedenácti translokačními methylcytosin dioxygenázami (Enzymy TET ). (viz obrázek v této části).[21] Molekulární kroky této počáteční demetylace jsou podrobně uvedeny v Enzymy TET. V postupných krocích (viz obrázek) Enzymy TET dále hydroxylát 5hmC za vzniku 5-formylcytosinu (5fC) a 5-karboxylcytosinu (5caC). Tymin-DNA glykosyláza (TDG) rozpoznává meziproduktové báze 5fC a 5caC a exciduje glykosidickou vazbu, což vede k apyrimidinové místo (Stránka AP). Následuje oprava základní excize (fáze 3). V alternativní oxidační deaminační cestě může být 5hmC oxidačně deaminováno pomocí APOBEC (AID / APOBEC) deaminázy za vzniku 5-hydroxymethyluracilu (5 hmU). 5mC lze také převést na tymin (Tvůj). 5hmU lze štěpit pomocí TDG, MBD4, NEIL1 nebo SMUG1. Nesprávná párování AP míst a T: G se poté opraví enzymy základní excizní opravy (BER), čímž se získá cytosin (Cyt). Rodina dioxygenáz TET se používá při nejběžnějším typu demetylačních reakcí.[21]

TET rodina

TET dioxygenázové izoformy obsahovat alespoň dvě izoformy TET1, jednu z TET2 a tři izoformy TET3.[22][23] Zdá se, že kanonická izoforma TET1 plné délky je omezena na časná embrya, embryonální kmenové buňky a primordiální zárodečné buňky (PGC). Dominantní izoforma TET1 ve většině somatických tkání, alespoň u myší, pochází z alternativního použití promotoru, které vede ke krátkému transkriptu a zkrácenému proteinu označenému TET1. Izoformy TET3 jsou forma TET3FL v plné délce, krátká forma sestřihové varianty TET3 a forma, která se vyskytuje v oocytech a neuronech, označená jako TET3o. TET3o je vytvořen alternativním použitím promotoru a obsahuje další první N-koncový exon kódující 11 aminokyselin. TET3o se vyskytuje pouze v oocytech a neuronech a není exprimován v embryonálních kmenových buňkách nebo v jiných testovaných buněčných typech nebo dospělých myších tkáních. Zatímco exprese TET1 může být sotva detekována v oocytech a zygotech a TET2 je exprimován pouze mírně, varianta TET3 TET3o vykazuje extrémně vysoké úrovně exprese v oocytech a zygotech, ale ve stádiu 2 buněk téměř chybí. Je možné, že TET3o, vysoký obsah neuronů, oocytů a zygotů v jedné buněčné fázi, je hlavním enzymem TET, který se používá, když v těchto buňkách dochází k rychlým demetylacím ve velkém měřítku.

Fáze 1 demetylace - nábor TET do DNA

Enzymy TET se specificky neváží 5-methylcytosin kromě případů, kdy byli přijati. Bez náboru nebo cílení se TET1 váže převážně na vysoké CG promotory a CpG ostrovy (CGI) v celém genomu díky své doméně CXXC, která dokáže rozpoznat nemetylovaný CGI.[24] TET2 nemá afinitu k 5-methylcytosinu v DNA.[25] CXXC doména TET3 o plné délce, která je převládající formou exprimovanou v neuronech, se nejsilněji váže na CpG, kde se C konvertuje na 5-karboxycytosin (5caC). Také se však váže na nemetylované CpG.[23]

Zahájení demetylace DNA při a CpG stránky. U dospělých somatických buněk k methylaci DNA obvykle dochází v souvislosti s CpG dinukleotidy (CpG stránky ), formování 5-methylcytosin -pG, (5mCpG). Reaktivní formy kyslíku (ROS) mohou napadat guanin v místě dinukleotidu a tvořit se 8-hydroxy-2'-deoxyguanosin (8-OHdG) a výsledkem je 5mCp-8-OHdG dinukleotidové místo. The oprava základní excize enzym OGG1 zacílí na 8-OHdG a váže se na lézi bez okamžité excize. OGG1, přítomný v místě náboru 5mCp-8-OHdG TET1 a TET1 oxiduje 5mC sousedící s 8-OHdG. Tím se zahájí demetylace 5 mC[26] jak je znázorněno na předchozím obrázku.

Pro Enzym TET k zahájení demetylace je třeba nejprve získat methylovanou skupinu CpG stránky v DNA. Dva z proteinů, u nichž je prokázáno, že rekrutují enzym TET na methylovaný cytosin v DNA, jsou OGG1 (viz obrázek Zahájení demetylace DNA v místě CpG)[26] a EGR1.[27]

OGG1

Oxoguanin glykosyláza (OGG1) katalyzuje první krok v opravě oxidativně poškozené báze excizí báze 8-OHdG. OGG1 najde 8-OHdG sklouznutím podél lineární DNA na 1 000 párů bází DNA za 0,1 sekundy.[28] OGG1 velmi rychle najde 8-OHdG. Proteiny OGG1 se vážou na oxidačně poškozenou DNA s poloviční maximální dobou asi 6 sekund.[29] Když OGG1 najde 8-OHdG, změní konformaci a komplexuje se s 8-OHdG ve své vazebné kapse.[30] OGG1 nepůsobí okamžitě k odstranění 8-OHdG. Poloviční maximální odstranění 8-OHdG trvá v buňkách HeLa asi 30 minut in vitro,[31] nebo asi 11 minut v játrech ozářených myší.[32] Oxidace DNA reaktivními formami kyslíku přednostně probíhá na guaninu v methylovaném CpG místě, kvůli sníženému ionizačnímu potenciálu guaninových bází sousedících s 5-methylcytosinem.[33] TET1 váže (je přijímán) OGG1 vázaný na 8-OHdG (viz obrázek).[26] To pravděpodobně umožňuje TET1 demetylovat sousední methylovaný cytosin. Když byly lidské epiteliální buňky mléčné žlázy (MCF-10A) ošetřeny H2Ó28-OHdG vzrostl v DNA 3,5krát a to způsobilo přibližně 80% demetylaci 5-methylcytosinů v genomu MCF-10A.[26]

EGR1

Gen protein pro časnou růstovou reakci (EGR1 ) je okamžitý časný gen (IEG). EGR1 může být rychle indukován neuronální aktivitou.[34] Charakteristickou charakteristikou IEG je rychlá a přechodná up-regulace - během několika minut - jejich hladin mRNA nezávislá na syntéze proteinů.[35] V dospělosti je EGR1 exprimován v celém mozku, přičemž udržuje základní úrovně exprese v několika klíčových oblastech mozku, včetně mediální prefrontální kůry, striata, hipokampu a amygdaly.[35] Tento výraz je spojen s kontrolou poznání, emoční reakcí, sociálním chováním a citlivostí na odměnu.[35] EGR1 se váže na DNA v místech s motivy 5'-GCGTGGGCG-3 'a 5'-GCGGGGGCGG-3' a tyto motivy se vyskytují primárně v promotorových oblastech genů.[34] Krátká izoforma TET1 je exprimována v mozku. EGR1 a TET1 tvoří komplex zprostředkovaný C-koncovými oblastmi obou proteinů, nezávisle na asociaci s DNA.[34] EGR1 rekrutuje TET1 do genomových oblastí lemujících vazebná místa EGR1.[34] V přítomnosti EGR1 jsou TET1 schopné lokusově specifické demethylace a aktivace exprese následných genů regulovaných EGR1.[34]

DNA demethylační meziprodukt 5hmC

Jak je naznačeno na obrázku výše, s titulkem „Demethylace 5-methylcytosinu“, prvním krokem aktivní demethylace je oxidace TET 5-methylcytosinu (5 mC) na 5-hydroxymethylcytosin (5 hmC). Proces demetylace v některých tkáních a na některých místech genomu se může v tomto bodě zastavit. Jak přezkoumali Uribe-Lewis a kol.,[36] kromě toho, že je meziproduktem aktivní demetylace DNA, je 5hmC často stabilní modifikací DNA. V genomu je 5hmC lokalizován na transkripčně aktivních genech, regulačních prvcích a komplexech spojených s chromatinem. Zejména je 5hmC dynamicky měněn a pozitivně korelován s aktivní transkripcí genu během buněčná linie Specifikace a vysoké úrovně 5hmC se nacházejí v embryonální kmenové buňky a v centrální nervový systém.[37] U lidí je defektní 5-hydroxymethylační aktivita spojena s fenotypem lymfoproliferace, imunodeficience a autoimunity.[38]

Oprava základní excize fáze 3

Příklad opravy základní excize 5-formylcytosinu (5fC) (přiléhající k 8-OHdG, oxidovanému guaninu) opravou s krátkou nebo dlouhou opravou. Dvě vlákna DNA jsou reprezentována rovnoběžnými vodorovnými čarami. První šipka dolů ukazuje thyminovou DNA glykosylázu (TDG) odstraňující 5-formylcytosin (5fC) z DNA řetězce a zanechávající apyrimidinové místo. Poté AP endonukleáza štěpí 5'-deoxyribóza-fosfát v hlavním řetězci DNA jediného řetězce, přičemž ponechá 3'-hydroxy-konec a 5'-deoxyribóza-fosfátový konec (druhá šipka dolů). Následuje oprava s krátkou nebo dlouhou opravou. Při krátké opravě opravy 5 'dRP lyáza ořízne 5' dRP konec a vytvoří fosforylovaný 5 'konec. Poté následuje DNA polymeráza β (Pol β) přidání jediného cytosinu naproti již existujícímu guaninu v komplementárním řetězci a poté DNA ligázy k utěsnění řezaného řetězce. Při opravách dlouhých oprav se předpokládá, že syntéza DNA je zprostředkována polymeráza 5 a polymeráza ε provádění vytěsňovací syntézy za vzniku laloku. Pol β může také provádět syntézu vytěsňování dlouhého patche. Long-patch syntéza obvykle vloží 2–10 nových nukleotidů. Pak klapková endonukleáza odstraní klapku a poté následuje DNA ligáza utěsnit pramen.

Třetím stupněm demetylace DNA je odstranění meziproduktů demetylace generovaných enzymem TET pomocí oprava základní excize. Jak je uvedeno výše v Fáze 2, poté, co je 5mC nejprve oxidován TET za vzniku 5hmC, další oxidací 5hmC pomocí TET se získá 5fC a oxidací 5fC pomocí TET se získá 5caC. 5fC a 5caC jsou rozpoznány a DNA glykosyláza, TDG, a oprava základní excize enzym, jako abnormální báze. Jak je znázorněno na obrázku v této části, TDG odstraňuje abnormální bázi (např. 5fC), přičemž ponechává páteřní řetězec cukr-fosfát neporušený, čímž vytváří apurinové / apyrimidinové místo, běžně označované jako Stránka AP. Na tomto obrázku je 8-OHdG ponechán v DNA, protože mohl být přítomen kdy OGG1 přitahoval TET1 na místo CpG methylovaným cytosinem. Po vytvoření AP místa AP endonukleáza vytvoří přezdívku v fosfodiester páteř Stránka AP která byla vytvořena při TDG DNA glykosyláza odstranil 5fC nebo 5caC. Lidská endonukleáza AP incizuje DNA 5 'do místa AP hydrolytickým mechanismem a zanechává 3'-hydroxyl a 5'-deoxyribóza fosfát (5' dRP).[39] Následuje oprava s krátkou nebo dlouhou opravou. Při krátké opravě opravy 5 'dRP lyáza ořízne 5' dRP konec a vytvoří fosforylovaný 5 'konec. Následuje DNA polymeráza β (pol β) přidání jediného cytosinu ke spárování s již existujícím guaninem v komplementárním řetězci a poté DNA ligáza utěsnit řezaný pramen. Při opravách dlouhých náplastí se předpokládá, že syntéza DNA je zprostředkována polymeráza 5 a polymeráza ε provádění syntézy posunutí za vzniku laloku. Pol β může také provádět syntézu vytěsňování s dlouhou náplastí. Long-patch syntéza obvykle vloží 2–10 nových nukleotidů. Pak klapková endonukleáza odstraní klapku a poté následuje DNA ligáza utěsnit pramen. V tomto okamžiku došlo v DNA sekvenci k úplnému nahrazení 5-methylcytosinu cytosinem (demethylací).

Demetylace po cvičení

Fyzické cvičení má dobře prokázané příznivé účinky na učení a paměť (viz Neurobiologické účinky tělesného cvičení ). BDNF je zvláště důležitým regulátorem učení a paměti.[40] Jak přezkoumali Fernandes et al.,[41] u potkanů ​​cvičení zvyšuje hipokampus exprese genu Bdnf, která má zásadní roli při formování paměti. Vylepšený výraz z Bdnf dochází jeho demetylací Promotér ostrova CpG v exon IV[41] a tato demethylace závisí na krocích znázorněných na dvou obrázcích.[20]

Demetylace po vystavení znečištění ovzduší souvisejícímu s dopravou

U skupiny zdravých dospělých byly nalezeny negativní asociace mezi celkovou methylací DNA a expozicí znečištění ovzduší souvisejícího s dopravou. Úrovně methylace DNA byly spojeny jak s nedávnou, tak s chronickou expozicí černému uhlíku a benzenu. [42]

Regulace periferních senzorických neuronů

Po zranění neurony u dospělých periferní nervový systém může přejít z nečinného stavu s malým axonální růst na robustní regenerace axonů. Demetylace DNA ve zralých savčích neuronech odstraňuje bariéry regenerace axonů.[43] Tato demetylace při regeneraci myších periferních neuronů závisí na TET3 vygenerovat 5-hydroxymethylcytosin (5 hmC) v DNA.[43][44] 5hmC bylo změněno ve velké sadě genů asociovaných s regenerací (RAG), včetně dobře známých RAG, jako jsou Atf3, Bdnf, a Smad1, které regulují růstový potenciál axonů neuronů.[44]

Reference

  1. ^ Ziller MJ, Müller F, Liao J, Zhang Y, Gu H, Bock C, Boyle P, Epstein CB, Bernstein BE, Lengauer T, Gnirke A, Meissner A (prosinec 2011). „Genomická distribuce a variace mezi vzorky metylace jiné než CpG napříč typy lidských buněk“. PLOS Genet. 7 (12): e1002389. doi:10.1371 / journal.pgen.1002389. PMC  3234221. PMID  22174693.
  2. ^ Jabbari K, Bernardi G (květen 2004). "Methylace cytosinu a frekvence CpG, TpG (CpA) a TpA". Gen. 333: 143–9. doi:10.1016 / j.gene.2004.02.043. PMID  15177689.
  3. ^ Yang X, Han H, De Carvalho DD, Lay FD, Jones PA, Liang G (říjen 2014). „Methylace genového těla může změnit genovou expresi a je terapeutickým cílem při rakovině“. Rakovinová buňka. 26 (4): 577–90. doi:10.1016 / j.ccr.2014.07.028. PMC  4224113. PMID  25263941.
  4. ^ A b Duke CG, Kennedy AJ, Gavin CF, Day JJ, Sweatt JD (červenec 2017). „Epigenomická reorganizace závislá na zážitku v hipokampu“. Učit se. Mem. 24 (7): 278–288. doi:10,1101 / lm.045112.117. PMC  5473107. PMID  28620075.
  5. ^ Sadahiro R, Knight B, James F, Hannon E, Charity J, Daniels IR, Burrage J, Knox O, Crawford B, Smart NJ, Mill J (duben 2020). „Velký chirurgický zákrok indukuje akutní změny v měřené methylaci DNA spojené s cestami imunitní odpovědi“. Sci Rep. 10 (1): 5743. doi:10.1038 / s41598-020-62262-x. PMC  7113299. PMID  32238836.
  6. ^ Ehrlich M (prosinec 2009). "Hypomethylace DNA v rakovinných buňkách". Epigenomika. 1 (2): 239–59. doi:10.2217 / epi.09.33. PMC  2873040. PMID  20495664.
  7. ^ Pfeifer GP (duben 2018). „Definování změn methylace DNA řidiče u rakoviny člověka“. Int J Mol Sci. 19 (4): 1166. doi:10,3390 / ijms19041166. PMC  5979276. PMID  29649096.
  8. ^ A b Howell CY, Bestor TH, Ding F, Latham KE, Mertineit C, Trasler JM, Chaillet JR (březen 2001). „Genomický otisk narušen mutací mateřského efektu v genu Dnmt1“. Buňka. 104 (6): 829–38. doi:10.1016 / s0092-8674 (01) 00280-x. PMID  11290321.
  9. ^ Watanabe D, Suetake I, Tada T, Tajima S (říjen 2002). "Fázově a buněčně specifická exprese Dnmt3a a Dnmt3b během embryogeneze". Mech. Dev. 118 (1–2): 187–90. doi:10.1016 / s0925-4773 (02) 00242-3. PMID  12351185.
  10. ^ Auclair G, Guibert S, Bender A, Weber M (2014). "Ontogeneze methylace ostrova CpG a specificita DNMT3 methyltransferáz během embryonálního vývoje u myši". Genome Biol. 15 (12): 545. doi:10.1186 / s13059-014-0545-5. PMC  4295324. PMID  25476147.
  11. ^ A b C Messerschmidt DM, Knowles BB, Solter D (duben 2014). „Dynamika metylace DNA během epigenetického přeprogramování v zárodečné a preimplantační embryi“. Genes Dev. 28 (8): 812–28. doi:10.1101 / gad.234294.113. PMC  4003274. PMID  24736841.
  12. ^ A b C Kagiwada S, Kurimoto K, Hirota T, Yamaji M, Saitou M (únor 2013). „Pasivní demetylace DNA spojená s replikací pro vymazání otisků genomu u myší“. EMBO J.. 32 (3): 340–53. doi:10.1038 / emboj.2012.331. PMC  3567490. PMID  23241950.
  13. ^ Zeng Y, Chen T (březen 2019). „Přeprogramování methylace DNA během vývoje savců“. Geny (Basilej). 10 (4): 257. doi:10,3390 / geny10040257. PMC  6523607. PMID  30934924.
  14. ^ Halder R, Hennion M, Vidal RO, Shomroni O, Rahman RU, Rajput A, Centeno TP, van Bebber F, Capece V, Garcia Vizcaino JC, Schuetz AL, Burkhardt S, Benito E, Navarro Sala M, Javan SB, Haass C , Schmid B, Fischer A, Bonn S (leden 2016). „Změny methylace DNA v genech plasticity doprovázejí tvorbu a udržování paměti“. Nat. Neurosci. 19 (1): 102–10. doi:10.1038 / č. 4194. PMC  4700510. PMID  26656643.
  15. ^ Kim JJ, Jung MW (2006). „Neuronové obvody a mechanismy podílející se na Pavlovianově podmíněnosti strachu: kritická recenze. Neurosci Biobehav Rev. 30 (2): 188–202. doi:10.1016 / j.neubiorev.2005.06.005. PMC  4342048. PMID  16120461.
  16. ^ Edwards JR, O'Donnell AH, Rollins RA, Peckham HE, Lee C, Milekic MH, Chanrion B, Fu Y, Su T, Hibshoosh H, Gingrich JA, Haghighi F, Nutter R, Bestor TH (červenec 2010). „Chromatinové a sekvenční rysy, které definují jemnou a hrubou strukturu vzorců genomové methylace“. Genome Res. 20 (7): 972–80. doi:10,1101 / gr. 101535.109. PMC  2892098. PMID  20488932.
  17. ^ Pfeifer GP (duben 2018). „Definování změn methylace DNA řidiče u rakoviny člověka“. Int J Mol Sci. 19 (4): 1166. doi:10,3390 / ijms19041166. PMC  5979276. PMID  29649096.
  18. ^ Veland N, Hardikar S, Zhong Y, Gayatri S, Dan J, Strahl BD, Rothbart SB, Bedford MT, Chen T (prosinec 2017). „Arginin Methyltransferase PRMT6 reguluje methylaci DNA a přispívá ke globální hypomethylaci DNA u rakoviny“. Cell Rep. 21 (12): 3390–3397. doi:10.1016 / j.celrep.2017.11.082. PMC  5753604. PMID  29262320.
  19. ^ Yoshimatsu M, Toyokawa G, Hayami S, Unoki M, Tsunoda T, Field HI, Kelly JD, Neal DE, Maehara Y, Ponder BA, Nakamura Y, Hamamoto R (únor 2011). „Dysregulace PRMT1 a PRMT6, argininmethyltransferáz typu I, je zapojena do různých typů lidských nádorů“. Int. J. Cancer. 128 (3): 562–73. doi:10.1002 / ijc.25366. PMID  20473859.
  20. ^ A b Bayraktar G, Kreutz MR (2018). „Role demetylace DNA závislé na aktivitě v mozku dospělých a při neurologických poruchách“. Hranice v molekulární neurovědě. 11: 169. doi:10.3389 / fnmol.2018.00169. PMC  5975432. PMID  29875631.
  21. ^ A b Bayraktar G, Kreutz MR (2018). „Role demetylace DNA závislé na aktivitě v mozku dospělých a při neurologických poruchách“. Přední Mol Neurosci. 11: 169. doi:10.3389 / fnmol.2018.00169. PMC  5975432. PMID  29875631.
  22. ^ Jin SG, Zhang ZM, Dunwell TL, Harter MR, Wu X, Johnson J, Li Z, Liu J, Szabó PE, Lu Q, Xu GL, Song J, Pfeifer GP (leden 2016). „Tet3 čte 5-karboxylcytosin prostřednictvím své domény CXXC a je potenciálním opatrovníkem proti neurodegeneraci“. Cell Rep. 14 (3): 493–505. doi:10.1016 / j.celrep.2015.12.044. PMC  4731272. PMID  26774490.
  23. ^ A b Melamed P, Yosefzon Y, David C, Tsukerman A, Pnueli L (2018). „Tet enzymy, varianty a rozdílné účinky na funkci“. Front Cell Dev Biol. 6: 22. doi:10.3389 / fcell.2018.00022. PMC  5844914. PMID  29556496.
  24. ^ Zhang W, Xia W, Wang Q, Towers AJ, Chen J, Gao R, Zhang Y, Yen CA, Lee AY, Li Y, Zhou C, Liu K, Zhang J, Gu TP, Chen X, Chang Z, Leung D „Gao S, Jiang YH, Xie W (prosinec 2016). „Přepínač izoformy TET1 reguluje demetylaci DNA a vývoj myší“. Mol. Buňka. 64 (6): 1062–1073. doi:10.1016 / j.molcel.2016.10.030. PMID  27916660.
  25. ^ Deplus R, Delatte B, Schwinn MK, Defrance M, Méndez J, Murphy N, Dawson MA, Volkmar M, Putmans P, Calonne E, Shih AH, Levine RL, Bernard O, Mercher T, Solary E, Urh M, Daniels DL , Fuks F (březen 2013). „TET2 a TET3 regulují GlcNAcylaci a methylaci H3K4 prostřednictvím OGT a SET1 / COMPASS“. EMBO J.. 32 (5): 645–55. doi:10.1038 / emboj.2012.357. PMC  3590984. PMID  23353889.
  26. ^ A b C d Zhou X, Zhuang Z, Wang W, He L, Wu H, Cao Y, Pan F, Zhao J, Hu Z, Sekhar C, Guo Z (září 2016). „OGG1 je nezbytný při demetylaci DNA vyvolané oxidačním stresem“. Buňka. Signál. 28 (9): 1163–71. doi:10.1016 / j.cellsig.2016.05.021. PMID  27251462.
  27. ^ Sun Z, Xu X, He J, Murray A, Sun MA, Wei X, Wang X, McCoig E, Xie E, Jiang X, Li L, Zhu J, Chen J, Morozov A, Pickrell AM, Theus MH, Xie H (Srpen 2019). „EGR1 rekrutuje TET1 pro formování methylomu mozku během vývoje a při neuronální aktivitě“. Nat Commun. 10 (1): 3892. Bibcode:2019NatCo..10.3892S. doi:10.1038 / s41467-019-11905-3. PMC  6715719. PMID  31467272.
  28. ^ Blainey PC, van Oijen AM, Banerjee A, Verdine GL, Xie XS (duben 2006). „Protein pro opravu DNA s excizí bází nalézá základy intrahelikální léze rychlým sklouznutím v kontaktu s DNA“. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 103 (15): 5752–7. Bibcode:2006PNAS..103,5752B. doi:10.1073 / pnas.0509723103. PMC  1458645. PMID  16585517.
  29. ^ Abdou I, Poirier GG, Hendzel MJ, Weinfeld M (leden 2015). „DNA ligáza III působí jako senzor rozbití řetězce DNA v buněčné orchestraci opravy poškození řetězce DNA“. Nucleic Acids Res. 43 (2): 875–92. doi:10.1093 / nar / gku1307. PMC  4333375. PMID  25539916.
  30. ^ van der Kemp PA, Charbonnier JB, Audebert M, Boiteux S (2004). „Katalytické a DNA vazebné vlastnosti lidské Ogg1 DNA N-glykosylázy / AP lyázy: biochemický průzkum H270, Q315 a F319, tří aminokyselin kapsy vázající 8-oxoguanin“. Nucleic Acids Res. 32 (2): 570–8. doi:10.1093 / nar / gkh224. PMC  373348. PMID  14752045.
  31. ^ Lan L, Nakajima S, Oohata Y, Takao M, Okano S, Masutani M, Wilson SH, Yasui A (září 2004). „In situ analýza opravných procesů oxidačního poškození DNA v buňkách savců“. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 101 (38): 13738–43. Bibcode:2004PNAS..10113738L. doi:10.1073 / pnas.0406048101. PMC  518826. PMID  15365186.
  32. ^ Hamilton ML, Guo Z, Fuller CD, Van Remmen H, Ward WF, Austad SN, Troyer DA, Thompson I, Richardson A (2001). „Spolehlivé hodnocení hladin 8-oxo-2-deoxyguanosinu v jaderné a mitochondriální DNA pomocí metody jodidu sodného k izolaci DNA“. Nucleic Acids Res. 29 (10): 2117–26. doi:10.1093 / nar / 29.10.2117. PMC  55450. PMID  11353081.
  33. ^ Ming X, Matter B, Song M, Veliath E, Shanley R, Jones R, Treťjaková N (březen 2014). „Mapování strukturně definovaných produktů oxidace guaninu podél DNA duplexů: vliv kontextu místní sekvence a endogenní methylace cytosinu“. J. Am. Chem. Soc. 136 (11): 4223–35. doi:10.1021 / ja411636j. PMC  3985951. PMID  24571128.
  34. ^ A b C d E Sun Z, Xu X, He J, Murray A, Sun MA, Wei X, Wang X, McCoig E, Xie E, Jiang X, Li L, Zhu J, Chen J, Morozov A, Pickrell AM, Theus MH, Xie H (Srpen 2019). „EGR1 rekrutuje TET1 pro formování methylomu mozku během vývoje a při neuronální aktivitě“. Nat Commun. 10 (1): 3892. Bibcode:2019NatCo..10.3892S. doi:10.1038 / s41467-019-11905-3. PMC  6715719. PMID  31467272.
  35. ^ A b C Duclot F, Kabbaj M (2017). „Role reakce raného růstu 1 (EGR1) v plasticitě mozku a neuropsychiatrických poruchách“. Přední Behav Neurosci. 11: 35. doi:10.3389 / fnbeh.2017.00035. PMC  5337695. PMID  28321184.
  36. ^ Uribe-Lewis S, Carroll T, Menon S, Nicholson A, Manasterski PJ, Winton DJ, Buczacki SJ, Murrell A (leden 2020). „5-hydroxymethylcytosin a genová aktivita v diferenciaci myšího střeva“. Sci Rep. 10 (1): 546. Bibcode:2020NatSR..10..546U. doi:10.1038 / s41598-019-57214-z. PMC  6969059. PMID  31953501.
  37. ^ Wu X, Li G, Xie R (říjen 2018). „Dekódování role dioxygenáz rodiny TET ve specifikaci linie“. Epigenetický chromatin. 11 (1): 58. doi:10.1186 / s13072-018-0228-7. PMC  6172806. PMID  30290828.
  38. ^ Stremenova Spegarova, Jarmila; Lawless, Dylan; Mohamad, Siti Mardhiana Binti; Engelhardt, Karin Regine; Doody, Gina M; Shrimpton, Jennifer; Rensing-Ehl, Anne; Ehl, Stephan; Rieux-Laucat, Frederic; Cargo, Catherine; Griffin, Helen (09.06.2020). „Ztráta funkce Germline TET2 způsobuje dětskou imunodeficienci a lymfom“. Krev: krev. 2020005844. doi:10,1182 / krev.2020005844. ISSN  0006-4971.
  39. ^ Levin, Joshua D; Demple, Bruce (1990). „Analýza apurinových / apyrimidinových endonukleáz třídy II (hydrolytické) a třídy I (beta-lyázy) se syntetickým DNA substrátem“. Výzkum nukleových kyselin. 18 (17): 5069–75. doi:10.1093 / nar / 18.17.5069. PMC  332125. PMID  1698278.
  40. ^ Karpova NN (leden 2014). „Role BDNF epigenetiky v neuronální plasticitě závislé na aktivitě“. Neurofarmakologie. 76 Pt C: 709–18. doi:10.1016 / j.neuropharm.2013.04.002. PMID  23587647.
  41. ^ A b Fernandes J, Arida RM, Gomez-Pinilla F (září 2017). „Fyzické cvičení jako epigenetický modulátor plasticity a poznávání mozku“. Neurosci Biobehav Rev. 80: 443–456. doi:10.1016 / j.neubiorev.2017.06.012. PMC  5705447. PMID  28666827.
  42. ^ Louwies T (2018). „Hypomethylace DNA ve spojení s interními a externími markery expozice v provozu u skupiny zdravých dospělých“. Kvalita ovzduší, atmosféra a zdraví. 11 (6): 673–681. doi:10.1007 / s11869-018-0574-4.
  43. ^ A b Weng YL, An R, Cassin J, Joseph J, Mi R, Wang C, Zhong C, Jin SG, Pfeifer GP, Bellacosa A, Dong X, Hoke A, He Z, Song H, Ming GL (duben 2017). „Vnitřní epigenetická bariéra pro regeneraci funkčních axonů“. Neuron. 94 (2): 337–346.e6. doi:10.1016 / j.neuron.2017.03.034. PMC  6007997. PMID  28426967.
  44. ^ A b Loh YE, Koemeter-Cox A, Finelli MJ, Shen L, Friedel RH, Zou H (únor 2017). „Komplexní mapování epigenetické dynamiky 5-hydroxymethylcytosinu v regeneraci axonů“. Epigenetika. 12 (2): 77–92. doi:10.1080/15592294.2016.1264560. PMC  5330438. PMID  27918235.