Метилирование ДНК — это модификация молекулы ДНК без изменения самой нуклеотидной последовательности ДНК, что можно рассматривать как часть эпигенетической составляющей генома.

Метилирование ДНК заключается в присоединении метильной группы к цитозину в составе CpG-динуклеотида в позиции С5 цитозинового кольца.

Метилирование ДНК считается, в основном, присущим эукариотам. У человека метилировано около 1 % геномной ДНК. В соматических клетках взрослого организма метилирование ДНК обычно происходит в CpG-динуклеотидах; метилирование ДНК вне CpG-динуклеотидов встречается в эмбриональных стволовых клетках.^{[1] [2]}

У растений метилирование цитозина происходит как симметрично по обеим цепям (на CpG или CpNpG), так и асимметрично лишь на одной из двух цепей (на CpNpNp, где N обозначает любой нуклеотид).

Метилирование ДНК у млекопитающих

Около 60-70 % всех CpG-динуклеотидов у млекопитающих метилированы. Неметилированные CpG-динуклеотиды сгруппированы в т. н. «CpG-островки», которые присутствуют в 5' регуляторных областях многих генов. Различные заболевания, например, рак, сопровождаются начальным аномальным гипометилированием ДНК и последующим гиперметилированием CpG-островков в промоторных областях генов, что приводит к устойчивой репрессии транскрипции. Репрессия транскрипции в этом случае опосредована белками, которые способны связываться с метилированными CpG-динуклеотидами. Эти белки, называемые метилцитозин-связывающими белками, привлекают деацетилазу гистонов (HDAC) и другие факторы, участвующие в ремоделировании хроматина. Сформировавшийся комплекс может модифицировать гистоны, формируя конденсированную транскрипционно не активную структуру гетерохроматина. Влияние метилирования ДНК на структуру хроматина имеет большое значение для развития и функционирования живого организма. В частности, отсутствие метилцитозин-связывающего белка 2 (MeCP2) вследствие, например, мутации в соответствующем гене, приводит к развитию синдрома Ретта у человека; инактивация метилцитозин-связывающего доменного белка 2 (Methyl-CpG binding domain protein 2 — MBD2), который участвует в репрессии транскрипции гиперметилированных генов, отмечена при онкологических заболеваниях.

Метилирование ДНК у человека

У человека за процесс метилирования ДНК отвечают три фермента, называемые ДНК-метилтрансферазами 1, 3a и 3b (DNMT1, DNMT3a, DNMT3b), соответственно. Предполагается, что DNMT3a и DNMT3b — это de novo метилтрансферазы, которые осуществляют формирование паттерна метилирования ДНК на ранних стадиях развития, а также его изменения в процессе дифференцировки клеток. Существует гипотеза о том, что метилирование ДНК de novo вызывается, в частности, интерферирующими РНК при помощи РНК-зависимого метилирования ДНК — процесса, возникшего в ходе эволюции с целью репрессии мобильных элементов генома.^[3] DNMT1 является ДНК-метилтрансферазой, которая поддерживает метилированное состояние ДНК, присоединяя метильные группы к одной из цепей ДНК в точках, где другая, комплементарная ей цепь, метилирована. Белок DNMT3L гомологичен другим DNMT-белкам, но не имеет каталитической активности. Вместо этого, DNMT3L поддерживает de novo метилтрансферазы, способствуя связыванию этих ферментов с ДНК и стимулируя их активность.

Важными этапами в развитии злокачественных новообразований является предварительное гипометилирование ДНК ^[4] и последующая инактивация генов-супрессоров опухолевого роста. В случае, когда инактивация была обусловлена метилированием промоторной области гена, проводились эксперименты по возобновлению экспрессии путём ингибирования DNMT. 5-aza-2'-дезоксицитидин (децитабин) является нуклеозидным аналогом, ингибирующим DNMT метилтрансферазы. Механизм действия препарата основан на ковалентном связывании фермента в комплексе с ДНК, что делает невозможным выполнение ферментом своей функции и приводит к деградации метилтрансферазы. Однако для того, чтобы децитабин был активен, он должен встроиться в геном клетки, но это, в свою очередь, может вызвать мутации в дочерних клетках, если клетка не погибает и продолжает деление. К тому же, децитабин токсичен для костного мозга, что сужает область его терапевтического применения. Эти ограничения привели к интенсивному поиску методов терапевтического воздействия, основанных на использовании «антисмысловых» РНК, которые противодействуют DNMT посредством деградации её мРНК и, следовательно, блокируют трансляцию. Тем не менее, по-прежнему остаётся открытым вопрос о том, является ли ингибирование функции DNMT1 достаточным условием для увеличения экспрессии генов-супрессоров, негативная регуляция транскрипции которых осуществляется метилированием ДНК.

Метилирование ДНК у растений

В последнее время произошел значительный прорыв в понимании процесса метилирования ДНК у растений, особенно у [1]). Считается, что специфичность метилтрансферазы в процессе метилирования ДНК модулируется при помощи РНК. Специфичные РНК-транскрипты транскрибируются с определенных участков матрицы — геномной ДНК. Эти РНК-транскрипты могут формировать двухцепочные молекулы РНК. Двухцепочные РНК, посредством регуляторных сигнальных путей, связанных либо с малыми интерферрирующими РНК (siRNA), либо с микроРНК (miRNA), детерминируют локализацию метилтрансфераз ДНК на участках специфических нуклеотидных последовательностей в геноме.^[6]