Автореферат и диссертация по медицине (14.00.14) на тему:Анализ метилирования ДНК при раке шейки матки

Анализ метилирования ДНК при раке шейки матки - тема автореферата по медицине
АВТОРЕФЕРАТ
Анализ метилирования ДНК при раке шейки матки - диссертация, тема по медицине
ДИССЕРТАЦИЯ
Петренко, Анатолий Анатольевич Москва 2003 г.
Ученая степень
кандидат биологических наук
ВАК РФ
14.00.14
 
 

Автореферат диссертации по медицине на тему Анализ метилирования ДНК при раке шейки матки

На нравах рукописи

Петренко Анатолий Анатольевич

Анализ метилирования ДНК при раке шейки матки

(14.00.14 - онкология)

АВТОРЕФЕРАТ диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва 2003

Работа выполнена в лаборатории молекулярной биологии вирусов (руководитель — доктор биологических наук, профессор ФЛ. Киселев) НИИ Канцерогенеза ГУ Российсвого Онкологического Научного Центра им. НЛ. Бяохина Российской Академии Медицинских Наук-

НаучныВ руководитель: доктор бюшичкш иаух,

профессор ФЛ. Кксмви

Официальные оппоненты:

доктор биологических ваух, профессор АЛ. Лншанкйа; доктор биологических неук, профессор ДМ. Сштвовсхяй

Ведущая организация: НИИ Физико-химической биологии им. Белозерского МГУ

Зашита диссертации состоится " 1200./г. в /О часов на

заседании Диссертационного совета при ГУ РОНЦ им. Н.Н. Блояииа РАМН по адресу: 115478, Москва» Каширское шоссе, 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУ РОНЦ РАМН. Автореферат разослан 2003 г.

Учйный секретарь Диссертационного совета ГУ РОНЦ РАМН:

доктор медицинских наук, профессор ЮА. Барсуке»

4 г**-**

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Рак шейки матти занимает второе место среди всех онкологических заболеваний у женщин. Этнологическим фактором рака шейки метки (РШМ) является вирусы папиллом человека (ЯРУ) группы высокого риска (типы 16,18 и Другие). После вирусной инфекции РШМ может развиться на протяжении нескольких лет, в течение которых возникают и накапливаются изменения в клеточных генах, регулирующие такие важные клеточные процессы, как пролиферация, апоптоз, аягиогевез, поддержание генетической стабильности.

В последнее десятилетие было установлено, что в многостадийном процессе образования опухолей нарушение функций клеточных генов может происходить ве только в результате генетических событий (точечные мутации, делении, амплификация н реарранжнровка генов), но н в результате эпигенетических изменений, в том чвеле локального гнперыегштировання ДНК. Аберрантному метилированию в опухолевых клетках подвергаются специфические последовательности - СрО-островки, ассоциированные с 5' регуляторнымн районами многих генов. В нормальных клетках большинство Срв-островков не метилировано, а их метилирование в опухолевых клетках, как правило, сопровождается подавлением транскрипции соответствующего гена, наследуемой при делении клетки. Механизмы инициации локального метилирования СрО-островаи» в опухолях тока не ясны.

В последнее время разработаны методы вдентификацкв гиперметшлрояанных районов ФПС, основанные на дифференциалы! ом статусе метилирования СрО-островков в нормальных и опухолевых клетках. С немощью чтих методов были идентифицированы гены, ивактинируемые в опухолях путем аберрантного метилирования ассоциированных с ними Срв-островков. Среди них обнаружены как новые, утрата функций которых оказалась существенной дня развития опухолей, так и известные гены, подавление экспрессии которых в опухолях в отсутствии ннактнвнрующих мутаций уже было продемонстрировано. Число генов, для которых обнаружен эпигенетический механизм япактивации в опухолях, постоянно растет, что свидетельствует о широком распространении этого механизма в процессе ¿шщерогенеза. В связи с этим представляется актуальным поиск генов, ннагпгенруеыых в опухолях шейки матки при нарушения метилирования ДИК.

Цель данной работы состояла в идентификации гиперметнлироваяных в опухолях

икйкн матиг СиОчмштив я ассоциированных с ними генов, экспрессия которых может \ РОГ НАЦИОНАЛЬНАЯ

дать пояяиряишеждетвяе арутвеяия метилирования ДНК.

В соответствии с указанной целью были поставлены следующие эксперимигтальные задачи:

1) Провести скрининг аберрантно-метвлированных ОС-богатых последовательностей ДНК в карциномах шейки натки метода» метялчувствительной ПЦР со статистическими ОС-богатыми првймсрамя, определить иуклеотидную последовательность об1гаружсннш йС-богатых фрагментов ДНК, выявить среди них Сро-островкн.

2) Провести поиск в базах данных гомояогий выявленных Срв-островков с известными последовательностями ДНК.

3) В случае отсутствия гомологий СрО-островка с известными последовательностями в базах данных, провести клонирование и определение нуклеотадной последовательности фрагментов ДНК, фланкирующих Срв-островок для его локализадаи в геноме человека.

4) В случае установления ассоциации выявленных СрС-островков с генами, провести анализ статуса метилирования и экспрессии соответствующих генов в первичных опухолях 8 клеточных ливнях карцином шейки матки.

^ми»!пя.-

С помощью метода иетшпувствягельвой ПЦР со статистическими СС-богатымн лраймерами было выявлено 7 ОС-богатых фрагментов ДНК дпивоб от 300 до 1200 пир оснований, пять ю которых (более двух третей) обладают свойствами СрО-островков. Из пяти выявленных СрО-островков два оказались непредставленными в опубликованных версиях генома человека: фрагмент 26 был представлен неполностью (отсутствовала область, фланкирующая У конец гена рЗА-адаптина), фрагмент 22 до сих пор отсутствует в опубликованных базах даыпых.

В работе впервые показано подавление экспрессии мРНК гена рЗЛ-адаптина в клеточных линиях рпка шейки матки. Продукт гена рЗА-адаптина представляет собой одну нэ субьеданиц адаптеряого комплекса АР-3, вовлеченного во внутриклеточный транспорт белков. Показана возможность восстановления экспрессии мРНК (¡ЗА-адаптина под действием деметпирующего агента 5-азашггадииа, что указывает на емзь процессов метилирования и транскрипции гена. Впервые определена нуклеегшдиа! последовательность района, прилегающего к 5' концу гена. Установлены размер первого экзона гена рЗЛ-адаптина и размер СрО-островка, ассоциированного с геном. СрО-островок гена рЗА-адапяпта включает 5' ветранехрибирусмый район гена, первый экзон и начало первого янтрова.

-54. Цяттао-пп.тгежкм ютммкть овбогт.

Теоретическое значение рабеггы заключается в получении новых данных об участии клеточных генов в злокачественной трансформации под действием вирусов папиллом человека. Обнаруженное подавление экспрессии ггна рЗА-адантына в хлепсах карцином шейки матки указывает на необходимость дальнейшего исследования роли белковых комплексов, вовлеченных в эндо/экзоцитоз белков, в канцерогенезе. Показана возможность идентяфицикации СрО-островков, до сих пор не представленных в опубликованных версиях иукпеотвдных последовательностей генома человека, с помощью метода ыетилчувствительной ПЦР со статистическими СтС-богатыми праймерами, что позволяет получить информацию о ОС-богатых трудиоклонируемых районах генома человека.

Диссертационная работа была апробирована 20 нюня 2003 г. на совместной конференции лабораторий Молекулярной биологии вирусов, Методов скрининга канцерогенов, Биохимии опухолей, Регуляции клеточных н вирусных онкогенов, Иммунологии онкогеяшх виру«», Вирусного каяцерокееза НИИ Канцерогенеза РОНЦ им. Н. Н. Блохняа РАМН. Основные положения диссертации обсуждались на конференциях лаборатории Молекулярной биологии вирусов и на Учввом совете НИИ Канцерогенеза я представлены двумя сообщениями на международных конференциях. По теме диссертационной работы опубликовано б печатных работ. Работа выполнена прв финансовой под держке РФФИ (грант 01-04-49225). Спууктгру щ объЫ работы,

Диссертация состоит нз следующих разделов: введения, обзора литературы, описания использованных в работе материалов и методов, раздела собственных исследований, обсуждения полученных результатов, выводов и библиография. Материалы диссертации изложены на 110 страницах машинописного текста я включает 4 таблицы, 20 рисунков и список литературы из 129 ссылок на работы отечественных и

зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Иив ШУИ1 ?1>Ч|

Обзор литературы посвящен феномену метилирования ДНК в клетках млекопитающих. Обсуждают* функции метилирования ДНК, изменения статуса метилирования генома млекопитающих во время развития, механизмы регуляции. Описаны метнлтрансферазы - ферменты, осуществляющие метилирование ДНК у млекопитающих. Проанализирована роль метилирования ДНК в канцерогенезе Проведен сравнительный анализ современных методов определения статуса мегалирования ДНК.

Д. М«иммы я истоды.

Образцы рака шейки матки и морфологически нормальных прилегающих тканей были получены и отделении радиохирургни РОНЦ ям H.H. Блохнва РАМН и результате оперативных вмешательств и любезно предоставлены д.ы.н. Не-чушкиным М.И. Клинический диагноз был подтвержден патоморфологическим исследованием в отделении патоморфолопго РОНЦ им. H.H. Блсхииа РАМН дм.н. Смирновым A3. Сбор материала в создание банка биопсийного материала осуществляли ст.н.с. Л.А. Семенова и ц.с. Л.С. Павлова. ДНК и РНК выделена гуанндишгютвоционатным методом и часть любезно предоставлена Т. Гришо, М. Атталеб и ст.н.с, В.К. Кобзевой. Всего было исследовано 30 образцов цпоскоклеточвого рака шейки матки, имеющих стадии опухолевой прогрессии Т1а-Т3 и классифицированных согласно критериям 003. Все исследуемые образцы опухолей шейки матки были позитивны но HPV-16 или HPV-18. Также в работе исследовали клеточные линии рака шейки матжя HcLa и Sffla.

В работе были использованы следующие методы исследования: выделение ДНК и РНК из клеточных культур гуанидиняэотвосноиатным методом, выделение ДНК из лейкоцитов периферической крови с использованием прогеяпазы К, рестрикция, бисульфитная модификация ДНК, ПЦР, гель-электрофорез нуклеиновых кнеяот, выделение продуктов ПЦР из гелей, клонирование продуктов ПЦР, блот-гибрядизацкя нуклеиновых кислот (Сауэсрн и Нозерн-блогшнг), обратная транскрипция в сочетании с ПЦР. Компьютерный анализ выявленных последовательностей ДНК проводили с шжощью сервиса BLAST (http^AvwwjicW.olmJtih.gov/BLAST/).

3. Результаты я обсуждение.

Поиск СрС-остро*껈, гыперметипмрованнмх * опухолях шешаг мамки

1) Прятал метода метидчу^утвитоддой ППР дп утатнстичес|д»я *У-<ч>гатыма

Для обнаружения CpG-островков, метилированных в опухолях шейки матки мы использовали метол метилчувствнтельБоЙ ПЦР со статнстнческнмн GC-богятымв ораймерами (СП-ПЦР) (Gonsalgo et at. 1997). Метод основан на использовании прайиеров, подобранных к среднестатистической последовательности ДНК, за исключением 3' кош», который состоит из 5-6 останков цитозииа я гуанина в различной комбинации. Такие праймеры амшшфшшрукгг в неспецифичесгах условиях (яри низких температурах отжига) ОС-богатые участки генома, включая в СрО-островки. Различие в статусе метилирования фрагментов ДНК между нормальной тканью (лейкоцитами) я опухолью выявляют с помощью обработка ДНК метилчуьствнтельнымн рестрютаэамя (МЧР), предшествующей амплификации (рис.1). МЧР имеют в составе своих сайтов рестрикции

ДНК ОПУХОЛЬ

Обработка МЧР

ПААГ-электрофорез

Рисунок I Схематическое изображение метой СП-ПНР Кружком обозначен сайт МЧР О - «йт не метилирован,® - сайт метилирован; У - статистический <5С-богатый праймер

один и более СрО линуклеотидов и не способны рестрипироватъ свой сайг, если иитоэии в составе определенного СрО линуклестнда метилирован После амплификации ПЦР продукты разделяли в полиакриламидном геле в денатурирующих условиях Для детекции продуктов использовали два даюших адекватные результаты метода' включение меченого нуклеотида Га-^Р-ЙАТР) в состав продуктов ПЦР при амплификации и серебрение фрагментов ДНК непосредственно в полиакриламидном геле. На рисунке 2 представлены

44ЭЛ 4430 4Э9Л 4390 438Л 4380 МЧР - +-+_ + -+ -+ - +

Рисунок 2 Анализ тродукто» «ншшфнмщнк ДНК из опухолевых н нормальных меток с помощью СП-ПЦР £ ПААГе Стрелкой указан фрагмент, взятый в дальнейшее исследование Вверх> указаны номер образцов, где Л - ДНК из лейкоцитов, О - ДНК из опухоли шейки матки, МЧР НраТ1, Стрелкой )казан Дифференциально метилированный а нормальных н опухолевых клетках продукт СП-ПЦР

результаты типичного опыта. Объектами выбора и дальнейшего исследования служили продукты ПЦР, отсутствующие в ДНК из нормальных клеток и присутствующие в ДНК из некоторых опухолей при обработке МЧР (отмечен стрелкой)

Главными недостаткам метода являются обнаружение ОС-богатых последовательностей, которые не представляют собой Срв-островки, и возможность неполного расщепления сайта рестрикции МЧР Поэтому подтверждение статуса метилирования выявленных фрагментов требует дополнительных исследований Таким образом, при отборе фрагментов ДНК, как вероятных Срв-островко», мы

руководствовались следующими критериями. Во-первых, в составе фрагмента должны присутствовать сайты, по меньшей мере, одной метилчувствительной рсстриктазы, что определяется по отсутствию продукта в рестрицироваиной ДНК из нормальной ткани. И, во-вторых, он должен быть метилированным в двух и более опухолях.

31. Дяалнз фрагментов, вцяррерных с помошыо метидчувствитсльяой ПШ» со статистическими ОС-богатыми пра»™^^

В результате скрининга 15 парных образцов ДНК с набором GC-богатых праймеров были отобраны семь фрагментов ДНК, которые соответствовали вышеприведенным требованиям. Каждый фрагмент был выделен ш геля, повторно аишшфицирован в специфических условиях с праймерами, с которыми он был выявлен, и клонирован. Затем была определена его нуклеотидная последовательность.

Анализ полученных последовательностей включал локализацию исследуемых фрагментов в геноме человека с помощью набор программ поиска гомологий BLAST® и установления наличия в исследуемом фрагменте последовательности CpG-островка. Для этого использовали общепринятые критерии СрО-островков: длина более 200 п.и., ОС состав более 0.50, отношение наблюдаемого числа CpG дииуклеотидов к теоретически возможному (параметр Н/Т) более 0.60 (Gardmer<3anfoer and Frommer 1987).

Результаты анализа выявленных фрагментов представлены в таблице!.

Фрагмент И локализован во втором нитроне гена LOCI48870, расположенного на первой хромосоме в зоне 1р36.32. Дяиинлй ген получен автоматическим компьютерным анализом с использованием метода предсказания BLAST и подтвержден наличием гомологии с последовательностью одного клона EST. По GC составу и показателю Н/Т уют фрагмент не является CpG-островком.

Фрагмент 30 расположен в локусе ALI 37850 девятой хромосомы в зоне 9q31.3-33.3 Данный фрагмент также представляет собой просто GC-богатую последовательность.

Фрагмент 22. В базах данных не обнаружено последовательности гомологичной этому фрагменту. Фрагмент обладает свойствами СрО-островка.

Фрагмент 32 расположен в локусе AL137058 на тринадцатой хромосоме в зоне 13q32.2-33.3, окружен с двух сторон повторами MER21B - 5* и AhiSx-3' и гомологичен СрО-островку, выявленному с помощью компьютерного анализа (Sanger Centre Chromosome 13 Mapping Group, http://www.sanger.ac.uk/HGP/Cbrl 3). Ген, ассоциированный с этим CpG-островком, не определен.

Фрагмент 34 был выявлен при клонировании фрагмента 32 в качестве незначительной примеси при электрофорезе в ПААГе. Местоположение фрагмента 34 в геноме - хромосома X, 3* область гена LOC254722, полученного компьютерным анализом с использованием метода предсказания GeoomeScan н подтвержденного гомологией с

одвкм клоном EST. Фрагмент 34 входит в состав последовательности CpG-островка, включающей конец последнего нитрона, последний экэон гена и ветранскрибиууемуто

меЖ1 енную последовательность.

Таблица 1. Фрагмент ДНК, идентифицированные методом СП-ГЩР.

Рапир фрагмента днК (■•я-) Размер CpG-остромеа Н/Т CpG* C"*GC*'"e Гомологп

18 267 — 0.16 0.53 хромосома 1, ген WC148S70

30 303 — 0.25 0.58 хромосома 9

22 563 563 0.» мшмтм

31 537 Ж 0.67 0.6$ хромосома 13

34 468 513** М9 »56 хромосммХ, n*LOC254722

36 633 3303** ♦.74 0.72 хромосомы 4 я It, 33-kb notrop, Tt*DUX4

26 175 Г74 0.60 хромосома S, гея BiA-одоптин

ИдапфтпвовныЯ вомер ■ GenBefc 22 - АР21 tl 12,26 - AF247736 * В случае фрепмегое 26,32,34 в 36 тяЛ потяел* правдой дм всего CpG острого " ПожныЯ ржшф CpG осфома укюан ва оспомлвя гомологии ■ случае фрагменп 34 с геном ЮС2Я722, > сжучае фрапюта 36 с 3J-ld> повтором, в случае фрагмент* 26 после определен» нумюгвдной яаеяамвимьиояи 3' регулугорвого раВоаа гена /)ЗА-айшшшш

Фрагмент 36 гомологичен близкородственным друг другу областям с таядемными 3.3-kb повторами, располагающимся в щяпеломервых областях хромосомы 10 (зова 10q26.3) и хромосомы 4 (зова 4q35, полиморфный район D4Z4), к кДНК гена DUX4. Локус D4Z4 включает от 10 до 100 ткццеыных 3.3-кЪ повторов. Каждая копня повтора содержит рамку считывания гена DUX4, кодирующего транскрипционный фактор с двумя гомеодомевамн (Gabriels et at. 1999). По своим параметрам З.З-kb повтор обладает свойствами CpG-островка.

Фрагмент 26 имеет неполную гомологию с 3' копцом кДНК гена filA-adanmima в 3' концом перекрывается с последовательностью, обнаруженной ранее как CpG-островок (Cross et al. 1994) в расположенной по результатам последующего анализа в интропе гева f&A-adatmwa. Нахождение фрагмента 26 в этого CpG-островка в составе единой последовательности мы подтвердили получением общего продукта амплификации ДНК из клеток HeLa и его последующем секвеиироваиием. Фрагмент 26 обладает свойствами CpG-островка (значение II/T составляет 0.78, содержание ОС равно 0.59).

Таким образом, асе семь фрагментов ДНК, выявленных методом СП-ПЦР, оказались ОС-богатыми последовательностями, и пять из них СрО-островками. Дна СрО-островка оказались непредставленными в опубликованных версиях генома человека. Для подтверждения дифференциального статуса метилирования был проведен анализ СрО-островков 32 в 26 на относительно большом числе опухолей и двух клеточных линиях карцином шейки дотлей.

3.3. Опредер?""Е гтртуса метцгтт™™и СрС?-остррвка 32 при раке шейки метки.

Анализ статуса метилирования СрО-островка 32 был проведен в 22 образцах опухолей шейки матки, 15 нормальных тканей шейки матки и 7 лейкоцитов периферической крови тех же пациентов, и в двух клеточных линиях карцином шейки матки методом мегнлчувствителыюй ПЦР (МЧ-ПЦР). Использовали два варианта анализа: одновременное расщепление четырех (1 сайт N81-1 и 3 сайта НраП) или шести (3 сайт НраП и 3 сайта НЬа!) сайтов узнавания МЧР в участке СрС-островка, который затем подвергался амплификации. В большинстве опухолей, лейкоцитов и нормальных тканях, прилегающих к опухоли, и в двух клеточных линий после обработки МЧР присутствовал продукт амплификации, что говорит о метилировании всех исследуемых сайтов (рис. 3, образцы 271, 451, 456 и клетки НеЬа и вШа). В одном го 22 образцов продукт ПЦР отсутствовал (рис. 3, образец 275). Наличие метилированных аллелей СрО-островка 32 в большинстве лейкоцитов, опухолевых н нормальных тканях шейки матки предполагает

271Л 2710 275Л 2750 НЛл 8Шв МЧР - + - + _+ _+ _ + - 4-М

451Н 45Ю 456Н 4560 МЧР - + - + - + _ +

Рисунок 3, Ашяш статуса ютдцюмния CpG деукямпяпов, входящих в «остав сайт» МЧР (ГОД Hpall н HbaD в пределах CpG острогав 32 исто дои МЧ-ПЦР. Вверху указаны номера образцов, где Л - ДНК ю яейкоимпм, Н - ДНК т ворютынто эпителия, О - ДНК ю опухоли шейки мппг, М - маркер 100 Ьр, спрт унвмы размеры маркерных фрагменте*

расположение CpG-островка 32 в подверженном имприктингу локусе хромосомы 13. Как известно, юшрннтннг гена сопровождается метилированием СрО-островка в одном из аллелей гена и моноаллельиой экспрессией гена в нормальных клетках. Для опухолевых клеток характерна утрата импрннтиига, сопровождающаяся изменением статуса метилирования CpG-островка в районе импрингированного гена я нарушением моноаллельиой экспрессии гена. Недавно было обнаружено, что потеря нмпринтннга гена IGF-II наблюдается не только в опухолях кишечника, но и в нормальных тканях

(леВкоцетах) этих же пациентов (Сш et al. 1998). Возможно, тго отсутствие метилирования CpG-островка 32 у пациента 275 в опухолевой ткани и в лейкоцитах периферической крови связано с утратой нмпринтинга.

Таким образом, CpG-островок 32 действительно дифференциально метилировал в некоторых опухолевых и нормальных тканях. Предположение о том, что CpG-островок 32 локализовав в подверженном импринтингу районе хромосомы 13, указывает на необходимость соответствующего детального исследования этого района в дальнейшем.

3,4. Определение полного размера CpG-ocrpoBifo гена рз А-ядяптдр^.

Для дальнейшего более детального исследования СрО-островок гена /ВА-адаптина был выбран как единственный, ассоциированный с геном, функция которого известны. Продукт гена {ЗЗА-адаптит представляет собой большую субьедишщу гстеротетрамерного адаятерного белкового комплекса АР-3, участвующего в транспорте белков к лкзосомам и родственным им органетяам (у млекопитающих меланосомы и плотные тельца тромбоцитов). Ген рЗА-адапгтта локализован на хромосоме 5 в зоне 5ql4.1 и экспрессируется во всех исследованных тканях (DetT Angelica et al. 1997). АР-3 комплекс располагается на мембранах внутриклеточных компярментов, таких как транс сеть аппарата Гольджи и зндосомы, хотя, данные об исключительной локализации (J3A-адзптииа только в этой части аппарата Гольджи противоречивы (см. обзор Boehm and Boni&cioo 2002), АР-3 комплекс взаимодействует с цнтозольными доменами траисыембрааных белков. Показано, что связывание с сигналами сортировки в транспортируемых белках могут выполнять ц и р субъединицы (см. обзор Robinson and BooifacmoiZOOl).

Предварительный анализ нуклеотидных последовательностей выделенного фрагмента 26 и кДКК гена рЗА-адаптина показал, что в состав первого экзона входят 220 н.п,, а последующая иуклеотидаая последовательность не имеет гомологии с последовательностью кДНК ш представляет собой начало первого интропа. Установленные нами границы нового эюоаа совпали с экзои-интрониой структурой полней последовательности ДНК гена (ВА-адаптина, опубликованной позднее. Оказалось, <по в состав CpG-островке входят весь первый экзон и начало первого нитрона. С 3* конца он ограничен повтором HERVK14CI. Таким образом, СрО-островок гена рЗАчздатина заканчивается в первом нитроне.

Дня определения 5' границы CpG-островка гена рЗА-адагтина использовали один из вариантов метода "прогулки по геному", позволяющего амшшфэтшровать, клонировать и определять неизвестную нуклеотвдяук) последовательность, фланкирующую известный фрагмент ДНК. В результате этой работы мы определили 5' нетранскрвбируюмую последовательность гена /ЗЗА-адаптина размером 597 н.п. Анализ объединенной

i¡оследовательносiи 5* области jeiiaß3A-адаттша (идентификационный номер в GenBank - Ab 247736-2) по ¡воли л определить размер его СрО-островка, который составит 868 н п (рис. 4) и имеет следующие характеристики; значение параметра Н/Т равно 0 74, GC состав - 0.60 (см. габл. I). Наибольшая плотность CpG дннуклеопшов (24 нз 56 обнаруженных в составе CpG-островка) и сайтов МЧР ПЗ из 20} наблюдается в 5' транскрибируемо« зоне размером 238 п н, непосредственно примыкающей к первому

Л, 1 >юов 1 ннтрои

Н Н Н ¡1 Н Н Н S» Н И Sc Н $с Н

+■111 n'tiin^W^

Hh Hb Hb Hh N

Б. Alu __HERVK14CI

-----"" k44VV44VWJ -

... __sag _

II II Hill III liliil Hl HillliimiBII ПМШИШМ —4t

Рисунок 4. Расположение вновь клонированного фрагмента в 5' области гена ßSA-адаптша по отношению к раже известный районам А. Рестршгтнгя карта 5' области гена Вертикальная черта обозначает «гстоположение сайтов МЧР Н - Hpall, Hb - Hhal, Sm - Smal, St - Scall. N - Karl Б. Распределение CpG дннуклеотидов и расчоложение CpG островка — CpG островок, Hl - norrop, ¡S3 -эоон, С] - нтрон. - вновь клонированная последовательность Вертикальная черта обозначает единичный СрС днкуклейтнд

Таким образом, мы установили полный размер и последовательность СрО-островка гена ßiA-адапшна, который располагается в 5' области гена и включает в себя нетршгскрибируемый район, первый экзон и начало первого нитрона.

Исследование экспрессии и статуса метилирования гена ß3A-adanmma при раке шейки матки.

После установления полного размера CpG-островка гена ß3A -адаптина мы провели исследование взаимосвязи между метилированием этого CpG-островка и транскрипцией ассоциированного с ним гена. (Сак известно, метилирование CpG-островка обычно сопровождается инактивацией транскрипции.

3,5. Исследование экспрессии мРНК гена (33А-адаптина в опухолях шейки матки и в клеточных линиях рака шейки матки.

Изучение уровня чРНК [¡ЗЛ-адаптина в образцах нормы и опухоля шенкн матки проводили на препаратах тотальной РНК. Всего с помощью блот-гибридизашот исследовали пятнадцать случаев рака шейки матки И только и одном образце было обнаружено заметное снижение количества мРНК /Ш -адаптина в опухоли по сравнению с нормой (рнс. 5А) Небольшая частота снижения уровня мРНК гена ß3A-adanmwia в опухолях по сравнению с нормой можеэ быть связана с тем, что, с одной стороны, это дейс! вшельно редкое событие, а с другой - с убиквитарной экспрессией гена

(MI'Angélica et al 1997) и присутствием в образцах опухоли и кормы стромальных элементов (фибробластов, клеток крови и кровеносных сосудов) и возможной контаминацией нормальными клетками опухоли и наоборот.

А. НО Б. lleLa SiHa

Рисунок ^ Анати.' экспрессии мРНК гена 03А-адаптина А. Уровень мРНК в образце рака игейки матки Верхний ряд - результат гибридизации тотальной РНК радиоактив помеченным зоилом к первому экзону гена Нижний ряд - фотография агарозного геля с тотальной РНК после электрофореза H - РНК из нормального зтпшлт; О - РНК из опухоли шейки матки одной и той же больной Справа указано расположение рибосомалькых РНК (2SS и 1SS) Б. Уровень мРНК в клеточных линиях HeLa и SiKa зо н после обработки 5-азаштгиаином (î-azaC) Результат мектрофорета в агарозвом геле продуктов обратной транскрипции в сочетании с ГТЦР

В связи с этим, мы исследовали изменение количества мРНК гена рЗА-адаптина в клеточных линиях рака шейки матки Не1л и SiHa после обработки их деметилирующям агентом *5-азацитидином с помощью обратной транскрипции в сочетании с ПЦР и блот-гибридизации. 5-азацитидин является ингибитором ДНК-метилтраясферазы 1. Ее инактивация приводит х репликативно-зависимому деметютрованию ДНК, включая и аберрантно-метилированные CpG островки, что сопровождается восстановлением экспрессии мРНК гена, если она подавляется за счет метилирования ДНК. Сравнение уровня мРНК проводили в необработанных и обработанных клетках одной и той же культуры. Результаты типичного опыта, полученные при применении обратной транскрипции в сочетании с ГЩР, представлены на рисунке 5Б. Из представленных данных следует, что в клетках HeLa после обработки 5-азацктидином происходит реактивация транскрипции гена рЗА-адаптина В клетках SiHa наблюдали двукратное увеличение уровня мРНК. Исследование методом Нозери-блотгинга подтвердило эти результаты (данные не представлены) Таким образом, мы установили, что при обработке клеток рака шейки матки HeLa и SiHa деметилирующи м агентом происходит реактивация экспрессии гена ¡ЗЗА-адаптипа. На основании этих данных можно сделать вывод о том. что экспрессия мРНК гена рЗА-адаптина существенно снижена в клеточных линиях и можп быть активирована дшетилирующим агентом.

-143-6- Изучение статуса метилирования СпО-островка гена 11 шейки матки р в клеточных линиях рака шейки царей.

Исследование статуса метилирования СрО динуклеотндов, входящих в состав CpG-островка гена fiЗА-адатмаш, в клепочных линиях HeLa и SiHa проводили с использованием трех методов: МЧ-ПЦР, блот-гибридизации и определения нуклеотидной последовательности бисульфитно-модифицнрованной ДНК. При использовании первых двух методов ДНК обрабатывают МЧР, и, таким образом, исследуются CpG дануклеотиды, входящие в состав сайтов рестрикции МЧР. Статус метилирования сайтов МЧР Hhal и SacII изучали с помощью МЧ-ПЦР, МЧР НраП - блот-гибрвднзацией. В случае бнсульфитпого сиквенса определяют статус метилирования всех СрО дгоуклеотядов в исследуемом фрагменте ДНК.

На рисунке б представлен результат исследования статуса метилирования СрО динуклеотндов в составе семи сайтов МЧР Hhal Отсутствие продуктов ПЦР при амплификации обработанной ДГОС говорит о том, что хотя бы в одном из исследованных сайтов рестрикции СрО дннуклеотид ие подвергается метялнровашю. Исследование меньшего числа сайтов рестрикции н, таким образом, уменьшение числа исследуемых за один раз CpG дннуклеотвдов ситуацию не изменило. Отсутствие продукта ПЦР наблюдалось всегда, т.е. сайты Мчк Н1ш1 оказывались рестрвцировйинымн. Таким образом, при исследовании статуса метилирования сайтов МЧР Hhal в границах CpG-островка гена рЗА-адвптина мы установили, что СрО динукяетнды, входящие в состав этих сайтов не метилированы в клеточных линиях HeLa и SiHa.

HeLa SiHa

МЧР - + + м

Рвсувм 6. Авали статуса нетяяяромшп CpG ливукямуппм, ахошша в состав cattrm МЧР Hhal ■ фж&ях CpG-ocipuua гена /ЗЗА-адвптши. Резухижт эжктрофоре» в тярозном гене продуспя шплщфшаиищ ДНК к> ыеточис ляннй. М - mapiep 100 bp. Справа указаны размеры маркерных фршмяпа.

При изучении статуса метилирования СрО дннуклеотидов в сайтах МЧР НраП ДНК из клеточных линий обрабатывали как МЧР НраП, так в отдельно ферментом рестрикции Mspl, который является изошизомером МЧР НраП, во не чувствителен к критическому для МЧР НраП метилированию. Дополнительно исследовали ДНК из клеток культур HeLa И StHa, обработанных 5-азаципщином. Результат блот-гибрндизации представлен на рисунке 7. При рестрикции ДНК ферментом Mspl (расщепление всех сайтов Hpall/Mspl)

наблюдается единственный продукт минимального размера 444 и.п. Видно, что в клетках НеЬа при рестрикции как НраП, так и Мзр! наблюдается один и тот же продукт (отмечен толстой стрелкой), что говорят об отсутствии метилирования сайтов НраП в этих клетках. В случае клеточной линии 5Ша возможно частичное метилирование одного-двух Срв дянуклеотядов, так как при рестрикции ДНК ферментом НраП отмечается дополнительна« полоса большего размера, чем основной продукт (отмечен тонкой стрелкой). Таким образом, при изучении статуса метилирования Срв дянуклеотидов в составе сайтов рестрикции фермента НраП мы установили, что в клеточных линиях НеЬа и 5 ¡На большинство СрО динуклеотвдов не метилировано.

1 2 3 4

Рисуем 7. Анализ статуса иггвяиромни СрО динучкотадо», пходчцн* * состо сайтов рестрикции мештувствтелыгаго фермента НраП в пределах СрО островка гена р]А-адагтина. Результат блот-гнбрялкмцив кулыур клеток роса шейхи натки до и после обработки 5-азаштщнном Вверху рисунка обозначены: 1 - Не!*, 2 - Не)а+5*зяС, 3 - ЗЗш, 4 - Б0н1+5а1вС. Рмгрикш* образцов ДНК Мзр! (М) или НраП 01). Слева указаны рюмеры шржеряьп фрю-мс(гтое.

Так как СрО-Остро во к гена $ЗА-Ышптина был выявлен по метилированию сайтов МЧР ЗасИ, то представлялось возможным, что транскрипция гена (¡ЗА-адаптина регулируется метилированием сайта какого-либо специфического транскрипционного фактора, содержащего сайт МЧР 8асП. В последовательности СрО-островка гена рЗА-адаптина присутствуют два сайта этой МЧР (см. рис. 4). При исследовании статуса метилирования сайта МЧР 5ас!1, расположенного в экзоне, оказалось, что продукт ГГТ(Р после обработки МЧР присутствует не только в двух клеточных линиях и опухолях, яо к в большинстве образцов ДНК из нормальной ткали (данные не представлены) Тогда как в случае сайта МЧР ЗасП, расположенного в тгтроне, продукта ПЦР для большинства этих же образцов не было ни в норме, ни в опухоли. Такой результат может быть связан с одной стороны с метилированием рестрикцианного сайта, расположенного в ккзоне, не

только в опухоли, во и в нормальной ткани, а с другой стороны с тем, что данный сайг является трудиорестрщируемым,

В связи с этим мы использовали бисульфитный сиквенс ДНК, который позволяет точно установить статус метилирования каждого СрО дннуклеотила, я не ограничен рам каин сайтов МЧР. При обработке ДНК бисульфитом натрия в молекуле цитозина происходит замещение атома водорода на гидросульфитную группу по углероду в шестом положении. Эта модификация приводит к резкому возрастанию скорости дезамннирования в к превращению после десульфоиации остатка цитозина в остаток урацнла. 5-метнлцитозин таким превращениям не подвергается. Поэтому, после амплификации обработанной ДНК в продукте ПЦР происходит замена неметалл ровашого остатка цитозина на остаток тимнна, в то время как метилированный остаток цитознна остается остатком цитозина. Исследование статуса метилирования ÇpG-островка гена рЗА-адалтина таким способом мы проводили в клеточной линии HeLa и в двух образцах опухоли, одни из которых представлял собой случай подавления уровня мРНК гена ¡¡ЗА-адттина. Амплификацию проводили полугнездоиыы способом с помощью трех праймеров, подобранных к модифицированной ДНК. Продукт ПЦР очищали и проводили определение его нуклеотидвой последовательности. На рисунке 8 приведены немодифицированная нуклеотидвая последовательность участка CpG-остронка длиной S6 н.п. и пример хроматограммы сиквенса этого же участка в клетках HeLa. Видно, что во всех шести приведенных CpG динуклеотидах остаток цитозина оказался заметенным на тимин, т.е. был неметелированвыы. Представленный на рисунке сайт МЧР SacD расположен в экзоие гена и по результатам МЧ-ПЦР имел метилированный статус. Здесь же оба CpG дннуклеотнда, входящих в состав сайта, находятся в аеметеяированном состоянии, Таким образом, мы столкнулись с труднорестрицнруемьш сайтом рестршггазы SacII.

Обобщенные результаты, полученные щи изучении статуса метилирования участка CpG-островка гена рЗА-одаптшш размером 411 нл. с помощью бнсуЛьфнтного сиквенса, выглядят следующим образом. Во всех трех случаях мы исследовали 26 СрО динуклеотидов. В клетках линии HeLa немстилнрованный статус имели 21 СрО динуклеотед. В образцах опухоли неметилированное число CpG динуклеотидов составило 23 и 24 CpG дяиуклеотида. При этом следует заметить, что, в противоположность неметелированным СрО динуклеотндам, статус метилирования остальных исследованных СрО двиуклеотидов однозначно определить было невозможно, так как хроматографнческая картина сиквенса этих СрО динуклеотидов н окружающих их районов не имела достаточной четкости н ясности. Исходя из результатов, полученных трон разными методами, можно заключить, что CpG островок гена /ЗЗА-адаятина не

аодвергается существенному метилированию в клеточных линиях рака шейки матки и в плоскоклеточных карциномах шейки матки.

ААСОСС£2(ЗС А<ЮАССААСС С&гСАСССОС САОСАСЩШ ОСААТСТССА ОСААТАОПТ ТССТТАСААТ ОЛОСАСТСШ ОАООАС

V * V ТУ

* ат с тЩЦив* *т «,е ттттиртт »ф* х т & с же

Рисунок в. Сетвевс продукта ГТЦР учэст*а СрО-остроаха гена рЗА-одапипта, полученного при шпявфлплшш обработанной бисульфитом ДНК ю клеток НеЬа А. Неноднфнцироввинш йукдеоиииая пооядоввгеяьиостъ секювнрогаиного участка. Б. Хроыатограмма сиивеяс» Модифицированные вемсимярианивс остатки цигошва (С-УГ) закяочеш в серий прямоугольник. Нетюотккяыо молнфшифманные остепя циннию заключены ■ окружность. Сайты МЧР НраП и $асП отмечены пр*моупмвлов ранкой. СрО лхиукяеоглдн внделет подчеркиванием (при пеметеивроваином ожютиие доцстадоат Трй ливуклеотшим).

Таким образом, с одной стороны экспрессия мРНК гена рЗА~адаптина снижена в клеточных линиях рака шейки матки, и ее можно реактивировать деметилирующиы агентом. С другой стороны СрО-островок самого гена не подвергается аберрантному метилированию в этих же клеточных линиях, Эти данные позволяют сделать вывод о том, что экспрессия мРНК рЗА-адаптина подавлена в клетках НеЬа и 8Ша, и в одной из 15 опухолей шейки матки, но это подавление экспрессии не связано с метилированием исследованного района Срв-островка гена рЗА-адаптина.

4. Заключение

Использованный в работе метод мстнлчуиствнтелыюй ПЦР со статистическими ОС-богатыми праймерами позволяет эффективно выявлять Срй-островки, в том числе и непредставленные в банках известных последовательностей генома, и может быть полезен для заполнения "белых шгген" в геноме человека. Отбор дифференциально метилированных в нормальных и опухолевых тканях Ср&-островков данным методом возможен, но в сочетании с дополнительным анализом сшгуса метилирования

идеятифицированньк CpG-островков в исследуемых тканях, который включает болыпой набор МЧР в методы, основанные на прямом определении 5-метилпитоаина в последовательности.

Для гена j}3A-adanmuxa был обнаружен следующий феномен. С одной стороны, обнаружено подавление экспрессии мРНК рЗА-адалтина в одной из опухолей и в двух клеточных линиях рака шейки матки, что в опухолевых клетках ранее не было описано. При этом экспрессия мРНК рЗА-адаптина может бьпь активирована в клеточных линиях обработкой деметилируюпшм агентом 5-азацитидином. С другой стороны, анализ статуса метилирования СрО-островка гена рЗА-адаптина с использованием МЧР и прямым определением 5-мстнлцвтозина секвенированием ДНК, обработанной бисульфитом натрия, выявил отсутствие существенного метилирования в клеточных линиях и первичных опухолях шейки матки в районе промотора и первого экзона. Феномен непрямой активации экспрессии гена (в отсутствие метилирования CpG-осгровка гена) в результате обработки опухолевых клеток деметнлирующнмн агентами 5-азацитидином и 5-аэа-2'-дезоксшштидашом бьш описан также для генов Apqf-l {Soengas et а]. 2001), ПМР-2 (Cappabianca et al. 2003), TGF-p (Shin et al. 1992) и TGF-fiRII (Ammanamanchi et aL 1999).

Непрямая активация транскрипции ¡¡ЗАчгдатшна и других генов под действием деметилирующих агентов может быть связано с двумя их свойствами. Вполне возможно, что зга агенты, вызывая демешднрованне ДНК, приводят к активации экспрессии регулятора транскрипции рЗА-адатпина, который был ивактивйрован метилированием в опухолевой клетке, по н стало причиной подавления транскрипции (ЗЗА-адаттта. Во-вторых, недавно было показано, что 5-аза-2'-дезоксэтштядни, независимо от его деметняирующего действия на ДНК, обладает также способностью подавлять лизин-специфическое метилирование гистонов и индуцировать быструю деконденсадию гетерохроматина (Takebayashi et al. 2001; Nguyen et al. 2002; Kondo and Issa 2003), Нельзя исключить, то обработка деметшшрующими агентами, обладающими такими свойствами, может при наличии соответствующих транскрипционных факторов в обрабатываемых клетках активировать транскрипцию генов, инактивация которых не связана с метилированием их промоторов.

В последнее время появились свидетельства того, что белки везикулярного транспорта, к которым относится рЗА-адаптин, вовлечены в канцерогенез (см. обзор Floyd aodDeCamilli 1998).

Недостаток знаний о функциях комплекса АР-3 не позволяет пока однозначно ответить на вопрос о том, какие последствия для опухолевой клетки может иметь подавление экспрессии одной иг его субъедннип - рЗА-адаптяпа. Этот вопрос требует дальнейшего исследования.

1. С помощью метода метилчувствителыгой ПЦР со статистическими ОС-богатыми прайыерами было выявлено семь (ЗО-богатых фрагментов ДНК, пять из которых (более двух третей) обладают свойствами С рв-островков. Из шгги выявленных Срв-островков два оказались непредставленными в опубликованных версиях генома человека (т.е. являются неизвестными ранее последовательностями генома человека).

2. С помощью компьютерного анализа установлено, что для Срв-островка 22 (ОепВапк АР218212) гомологичная последовательность в базах данных не представлена; СрО-островки 32 и 34 локализованы соответственно на 13 и X хромосомах, ассоциация с известными генами отсутствует; СрО-островок 36 имеет гомологию с 3.3-кЬ талдемным повтором, располагающимся в прителомерной области длинного плеча хромосом 4 и 10, н с кДНК гена ПиХ4, кодируемой одной копией этого повтора; СрО-островок 26 (ОепВапк АР24Т736) имеет частичную гомологию с кДНК гена /¡ЗЛ-адаптта.

3. Экспериментально определена нуклеотидвая последовательность 5* регуляторной зоны и граница 1 экзона гена {ВА-адаптина (ОепВапк АК24Т736.2), и установлен размер (868 п.н.) и местоположение СрО-олровка гена /ЗЗА-адагипина. СрО-островок гена включает 5' нетранскрибируемую область, первый жзов и 5' конец первого интрова.

4. Методами гибридизации по Саузерну н ПЦР в сочетании с мегнлчувствительиой рестрикцией и методом секвенирования обработанной бисульфитом натрия ДНК установлено, что СрС-островок гена рЗА-адсттина не подвергается метилированию в плоскокяеточных карциномах шейки матки и в клеточных линиях рака шейки матки.

5. Впервые показано, что экспрессия гена рЗА-адатгшна снижена в клеточных линиях рака шейки матки и может быть активирована обработкой деметилирующим агентом 5-азацнгидияом, несмотря на отсутствие метилирования Срв-островка гева.

Список иабогг. опубликованных по теме диссертации

1. Петренко ДА, Епшлев ЕМ, Киселева Ш1. Идентификации CpG-островков, гиперы сталированных в опухолевых и трансформированных клетках, методом иетилчувствнгельлой ПЦР со лктнсгнческнмн праЙмерамнУ/ Молекулярная биология, 2000,34(3), 474-479.

2. Киселев ФЛ, Маэуренко НН, Киселева НП, Кобзева BJI, Семенова ЛА, Павлова JIC, Беляков ИС, Блиев АЮ, Ешилев ЕМ, Иванова ТА, Петренко АА. Молекулярные маркеры рака шейхи маяси.// Вестник РАМН, 2002,1,8-14.

3. Petrenko А, Ivanova Т, Gritsko Т, Vißokoarova S, Eshilev Е, Kobzeva V, Kisseljov F, Kisseljova N. Metiiylatknt and silencing of retinoic seid receptor-beta2 gene in cervical саосстУ/ BMC Cancer, 2002,2:4,1-7.

4. N Kisseljova, E Eshilev, T Ivanova, A Pebeoko, S Viookourova, F Kisseljov. The geile hypermethylaöon proffie of cervical сагсшотаэУ/ AACR Conference: Oncogenomics, Jan-Feb. 2003, Phoenix, Arizona. USA.

5. N Kisseljova, A Petrenko, T Ivanova, S Vmokourova, E Eshilev, F Kisseljov. Gerne hypeimethylation profile of cervical caicinomas expressing E6 and E7 genes of high risk HPV groupJ/ ICGEB DNA Tnmor Viru» Meeting, iuly 2003, Trieste, Italy.

6. Ivanova T, Vinokurova S, Petreako A, Eshikv E, Solovyova N, Kisseljov F and Kisseljova N. Frequcnt hypermdhylation of 5' flanlang regio» of TIMP-2 gene in cervical oaac&J/ InL J. Cancer, 2003 (aeeepted for publication).

Отпечатано в ООО «Компания Спутник+» ПД № 1-00007 от 25.09.2000 г. Подписано в печать 21.10.03 Тираж 100 экз. Усл. пл. 1,25 Печать авторефератов (095) 730-47-74

РНБ Русский фонд

2006-4 37538

 
 

Оглавление диссертации Петренко, Анатолий Анатольевич :: 2003 :: Москва

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

МЕТИЛИРОВАНИЕ ДНК.

Распространение метилирования ДНК.

Функция метилирования ДНК.

Метилирование во время развития.

Ферменты метилирования.

Метилирование как динамический процесс.

Роль метилирования в канцерогенезе.

Генетическая роль метилирования ДНК в канцерогенезе.

Эпигенетическая роль метилирования ДНК в канцерогенезе.

Сравнительный анализ современных методов определения статуса метилирования ДНК.

Методы анализа статуса метилирования СрС динуклеотидов.

Методы идентификации СрО-островков, аберрантно-метилированных в опухолях.

 
 

Введение диссертации по теме "Онкология", Петренко, Анатолий Анатольевич, автореферат

Актуальность темы: Рак шейки матки занимает второе место среди всех онкологических заболеваний у женщин. Этиологическим фактором рака шейки матки (РШМ) признаны вирусы папиллом человека (HPV) из так называемой группы высокого риска (типы 16, 18 и другие). После вирусной инфекции РШМ может развиться через стадии дисплазии, рака in situ на протяжении нескольких лет, в течение которых в прогрессию опухоли вносят вклад возникающие и накапливающиеся изменения в клеточных генах, регулирующих такие важные для нормальной жизнедеятельности клетки процессы, как пролиферация, апоптоз, ангиогенез, поддержание генетической стабильности.

В последнее десятилетие было установлено, что в многостадийном процессе образования опухолей нарушение функций клеточных генов может происходить не только в результате генетических событий (точечные мутации, делеции, амплификация и реарранжировка генов), но и в результате эпигенетических изменений, в том числе локального гиперметилирования ДНК. Аберрантному метилированию в опухолевых клетках подвергаются специфические последовательности - CpG-островки, ассоциированные с 5' регуляторными районами многих генов. В нормальных клетках большинство CpG-островков не метилировано, а их метилирование в опухолевых клетках, как правило, сопровождается подавлением транскрипции соответствующего гена, наследуемой при делении клетки. Механизмы инициации локального метилирования CpG-островков в опухолях пока не ясны.

В последнее время разработаны методы идентификации гиперметилированных районов ДНК, основанные на дифференциальном статусе метилирования CpG-островков в нормальных и опухолевых клетках. Во многих случаях с помощью этих методов были идентифицированы гены, инактивируемые в опухолях путем аберрантного метилирования ассоциированных с ними CpG-островков. Среди них обнаружены как новые гены, утрата функций которых оказалась существенной для развитияопухолей, так и известные гены, подавление экспрессии которых в опухолях в отсутствии инактивирующих мутаций уже было продемонстрировано. Число генов, для которых обнаружен альтернативный мутациям эпигенетический механизм инактивации в опухолях, постоянно растет, что свидетельствует о широком распространении этого механизма в процессе канцерогенеза.

Цель настоящей работы: Идентификация гиперметилированных в опухолях шейки матки СрО-островков и ассоциированных с ними генов, экспрессия которых может быть подавлена вследствие нарушения метилирования ДНК.

Исходя из цели работы, были поставлены следующие экспериментальные задачи:1) Провести скрининг аберрантно-метилированных ОС-богатых последовательностей ДНК в карциномах шейки матки методом метилчувствительной ПЦР со статистическими ОС-богатыми праймерами, определить нуклеотидную последовательность обнаруженных ОС-богатых фрагментов ДНК, выявить среди них СрО-островки.

2) Провести поиск в базах данных гомологий выявленных СрО-островков с известными последовательностями ДНК.

3) В случае отсутствия гомологий СрО-островка с известными последовательностями в базах данных, провести клонирование и определение нуклеотидной последовательности фрагментов ДНК, фланкирующих СрО-островок для его локализации в геноме человека.

4) В случае установления ассоциации выявленных СрО-островков с генами, провести анализ статуса метилирования и экспрессии соответствующих генов в первичных опухолях и клеточных линиях карцином шейки матки.

Научная новизна и практическая ценность работы:С помощью метода метилчувствительной ПЦР со статистическими ОС-богатыми праймерами было выявлено 7 ОС-богатых фрагментов ДНК длиной от 300 до 1200 пар оснований, пять из которых (более двух третей)обладают свойствами СрО-островков. Из пяти выявленных СрО-островков два оказались непредставленными в опубликованных версиях генома человека: фрагмент 26 был представлен неполностью (отсутствовала область, фланкирующая 5' конец гена ¡ЗЗА-адаптина), фрагмент 22 до сих пор отсутствует в опубликованных базах данных.

В работе впервые показано подавление экспрессии мРНК гена /ЗЗА-адаптина в клеточных линиях рака шейки матки. Продукт гена (ЗЗА-адаптина представляет собой одну из субъединиц адаптерного комплекса АР-3, вовлеченного во внутриклеточный транспорт белков. Показана возможность восстановления экспрессии мРНК /ЗЗА-адаптина под действием деметилирующего агента 5-азацитидина, что указывает на связь процессов метилирования и транскрипции гена. Впервые определена нуклеотидная последовательность района, прилегающего к 5' концу гена. Установлены размер первого экзона гена (ЗЗА-адаптина и размер Срв-островка, ассоциированного с геном. Срв-островок гена [ЗЗА-адаптина включает 5' нетранскрибируемый район гена, первый экзон и начало первого интрона.

Теоретическое значение работы заключается в получении новых данных об участии клеточных генов в механизме злокачественной трансформации под действием вирусов папиллом человека. Обнаруженное подавление экспрессии гена ¡ЗЗА-адаптина в клетках карцином шейки матки указывает на необходимость дальнейшего исследования роли белковых комплексов, вовлеченных в эндо/экзоцитоз белков, в канцерогенезе. Показана возможность идентифицикации СрО-островков, до сих пор не представленных в опубликованных версиях нуклеотидных последовательностей генома человека, с помощью метода метилчувствительной ПЦР со статистическими ОС-богатыми праймерами, что позволяет получить информацию о ОС-богатых трудноклонируемых районах генома человека.

Метилирование ДНКРаспространение метилирования ДНК.

Метилирование оснований в ДНК было открыто свыше 50 лет назад и наблюдается практически во всех классах живых организмов. ДНК прокариот содержит модифицированные основания К6-метиладенин и 5-метилцитозин, тогда как для эукариот характерно наличие в основном 5-метилцитозина. Он присутствует в ДНК грибов и растений (Finnegan et al. 2000; Martienssen and Colot 2001). В царстве животных наблюдается широкий спектр уровня метилировал ия генома. На одном из полюсов располагается нематода Caenorhabditis eL'gans, чей геном лишен 5-метилцитозина и не кодирует соответственно ДПК-метилтрансферазы. Рядом с ней располагается плодовая мушка Drosophila melanogaster. Долгое время считали, что ее геном также не подвергается метилированию. Однако у нее имеется ген, кодирующий белок, гомологичный ДНК-метилтрансферазам млекопитающих (Hung et al. 1999; Tweedie et al. 1999). Недавно было показано, что 5-метилцитозин в ДНК D. melanogaster присутствует в очень малых количествах (Gowher et al. 2000; Lyko et al. 2000). Ha противоположной стороне от С. elegans находятся позвоночные животные. Их геном имеет самый высокий уровень 5-метилцитозина во всем животном царстве. Метилирование ДНК у позвоночных настолько широко распространено в геноме, что говорят о его тотальном метилировании.

У млекопитающих 5-метилцитозин в геноме встречается практически только в составе CpG динуклеотида. При этом количество CpG динуклеотидов снижено из-за высокой мутабильности 5-метилцитозина, который с высокой вероятностью подвергается спонтанному дезаминированию и превращению в тимин. Это обстоятельство привело в процессе эволюции к многочисленным заменам пар G:C на А:Т, в результате чего в геноме млекопитающих динуклеотидов CpG в 5-раз меньше, чем следовало бы ожидать (Gardiner-Gardner and Frommer 1987). У человека- 10-80% всех CpG динуклеотидов метилировано, и эти метилированные CpG динуклеотиды рассредотом.пы по геному в виде одиночных сайтов (Bird 1995).

В то же время в геноме позвоночных существуют скопления неметилированных CpG ¿-'нуклеотидов, именуемых CpG-островками (у человека -20% от всего числа CpG динуклеотидов). Эти последовательности обладают длиной от 0.5 до 5 т.п.н. (в среднем 1 т.п.н.), встречаются приблизительно один раз па 100 т.п.н., имеют высокую плотность CpG динуклеотидов (близкое к ]. счетному 1:16), их GC состав превышает 0.55, а отношение экспериментально найденного числа CpG к теоретически возможному составляет не менее 0.6 (Antequera and Bird 1993; Takai and Jones 2002). На основании компьютерного анализа в геноме человека предсказано существование 29 тыс. СрС островков (Lander et al. 2001; Venter et al. 2001). CpG-островки расположены вблизи генов, преимущественно в 5' области (регуляторные последовательности, промоторы, последовательности первого экзона). Считается, что -(>')% человеческих генов содержат CpG-островки (Antequera and Bird 199Г. Они имеются, по-видимому, у всех генов, выполняющих базовые кле. очные функции (гены "домашнего хозяйства"), и у -40% генов, выполняющих специализированные функции (тканеспецифические гены4). Большинство из CpG-островков остаются неметилированными на вс v стадиях развития организма и во всех типах тканей, даже когда ассоциированный с ними ген не функционирует. Например, тканеспецифичс лсие гены человека а-глобин (Bird et al. 1987) и а2(1)-коллаген (McKeon et 1. 1982) имеют CpG-островки, которые остаются неметилированными во j jx протестированных тканях, независимо от статуса экспрессии гена. ) то же время в клетке может происходить метилирование CpG-ocTpoi а, что сопровождается стабильной инактивацией связанного с ним гена. Так, о время развития метилирование CpG-островков наблюдается при установ. лии геномного импринтинга и инактивации Xхромосомы (см. обзор Вi 1ч 2002), а также наблюдается при патологических процессах, например при ктщерогепезе.

Считается, что метил ювагше CpG-островков в регуляторных областяхприводит к перестройке n шатина в неактивное состояние, что вызываетинактивацию транскрипт метилированного гена (см. обзор Baylin and Herman 2000; Jaenisch ant! iird 2003). Показано, что важную роль в этомиграет семейство меч -CpG-связывающих белков, привлекая кметилированному локусу I ПС гистоповые деацетилазы, которые, в своюочередь, удаляют ацетилы е группы у гистонов в составе нуклеосом. Такаямодификация гистоновы белков приводит к превращению открытой,транскрипционно-активно. структуры хроматина в закрытую,транскрипционно-неактивг о (рис. 1).

НукпеосомаАс Ас / Ас Ас Ас АсАс АсАгАс АсПШАс Ас / Ас Ас Ас Аст й мАс -- Ас АсАс АсТранскрипция* — неполированный CpG Дйнуклсотид(MOD -метнл-СрО-связывающнйбелок - гастон-деацетилшРисунок 1. Влияние ацёшлированных гистонах ассоциируется с транскр распознаются метил-CpG-c. гистоновые деацителазы (HD перестройке хроматина в недсл Worm and Guldberg 2002).гилирования ДНК на структуру хроматина. 11ри юматми имеет открытую конфигурацию, которая шч активностью. Метилированные цитозины ми белками (МВ1)э), которые привлекают ) в район метилированной ДНК. Это приводит к тую 1Я транскрипционного аппарата клетки форму (по- 12В тоже время транскрипция может регулироваться метилированием одиночных CpG динуклеотидов, расположенных в области промотора в зоне сайта связывания ряда транскрипционных факторов. Метилирование в этом случае имеет относительно локальный характер, препятствуя связыванию чувствительных к метилированию факторов транскрипции, и варьирует в широких пределах в разных тканях. В настоящий момент известно около 20 метилчувствительных транскрипционных факторов. Например, такое сайт-специфическое метилирование и ассоциированная с ним инактивация транскрипции наблюдается в случае с промотором GK-интерферона (Melvin et al. 1995) и участком связывания CREB (cyclic AMP response element-binding protein) промотора гена Р-глобина (Iguchi-Ariga et al. 1989). Подобная регуляция может наблюдаться как для генов, обладающих CpG-островками, так и для тканеспецифических генов, их не имеющих. Однако роль метилирования в этом случае ограничивается влиянием на доступность сайта связывания чувствительному к метилированию транскрипционному фактору и реализуется только при наличии в клетке соответствующего белкового фактора.

Функция метилирования ДНК.

Наиболее общей функцией метилирования является участие в клеточном "иммунитете". Для бактерий оно характерно как элемент системы метилирования-распознавания "свой-чужой", что дает клетке возможность отличать свой генетический материал от инородных молекул, проникших в клетку. Это позволяет поддерживать генетическую стабильность вида. Иногда один фермент выполняет и метилазную, и эндонуклазную функцию, но в большинстве случаев эти активности разделены между двумя ферментами, один из которых метилирует определенный сайт ДНК, а другой расщепляет. При этом метилазы «метят» специфические последовательности собственной ДНК, а чувствительные к метилированию рестрикционные эндонуклеазы узнают и расщепляют те из последовательностей, которые соответствующей метки не имеют, т.е чужеродную ДНК. Таким способомбактериальная клетка защищается против чужеродной ДНК. Например, последовательность проникшего в бактериальную клетку фага расщепляется в определенных сайтах специфическими эндонуклеазами, в то время как те же последовательности в собственной ДНК клетки защищены от расщепления, так как метилированы (Noyer-Weidner and Trautner 1993).

Роль метилирования ДНК как компонента клеточного "иммунитета", предназначенного для избавления от "ненужной" ДНК (уничтожение или подавления ее функций), сохраняется и у эукариот, но конкретные механизмы реализации этой задачи могут отличаться. Так, в клетках грызунов и человека посредством метилирования происходит стабильное подавление транскрипции интегрированных вирусных последовательностей и транспозонов, что предотвращает их дальнейшие распространение по геному (Barlow 1993; Bestor and Tycko 1996), а у мышей часто происходит инактивация трансгенов (Sasaki et al. 1993). Однако роль метилирования у эукариот не ограничивается защитой клетки от потенциально опасной ДНК. Предполагается, что при усложнении генома в ряду от низших эукариот к высшим происходила функциональная переориентация системы метилирования (Bird 1995). Если у беспозвоночных она в основном сводилась к подавлению активности потенциально опасных последовательностей ДНК (таких как вирусы и транспозоны), то у позвоночных ее назначение - еще и стабильная репрессия эндогенных генов (гены инактивированной X хромосомы, импринтированные гены). В этом случае метилирование выступает как компенсаторный механизм для организации ДНК сложных геномов в транскрипционно-активные и неактивные области. В связи с этим, наличие метилирования является необходимым условием для процесса регуляции экспрессии генов во время развития и дифференцировки.

Метилирование во время развития Во время нормального развития и клеточной дифференцировки у млекопитающих происходит комплекс изменений в метилировании ДНК(рис. 2). В зиготе (сразу после оплодотворения) материнские и отцовские хромосомы пространственно обособлены, и их деметилирование происходитУ Р о в е н ьме т и ли ро в а н и яДеметилирование De novoметилированиеПоддерживающее ^етилированиеВремя развитияРисунок 2. Схематическое изображение временных изменения в уровне метилирования ДНК в клетках млекопитающих во время развития (по Turker 1999). ППК — примордиальные половые клетки, ЭСК - эмбриональные стволовые клетки.в разное время (Mayer et al. 2000). При этом отцовские хромосомы деметилируются в течение шести - восьми часов после оплодотворения независимым от репликации путем, тогда как деметилирование материнских хромосом охватывает стадии второго и третьего дробления и происходит в процессе репликации. У мышей в результате этого процесса уровень метилирования генома падает до 30% от наблюдаемого в соматических клетках (Kafri et al. 1992). После имплантации в клетках бластоцисты уровень метилирования восстанавливается, приобретая характерный для клеток взрослого организма паттерн (Turker 1999). Этот процесс начинается метилированием de novo, затрагивающим специфические последовательности в геноме ("центры метилирования" - транспозоны и повторы). После этого, на втором этапе установления паттерна метилирования, происходит распространение метилирования из центра на окружающие неметилированные сайты. Во время дифференцировки вклетках значительно снижается способность метилировать ДНК de novo (Turker et al. 1991; Szyf et al. 1990), но сохраняется способность к распространению метилирования из "центров метилирования" (Toth et al. 1989). Однако характерной чертой клеток становится исключительно высокая способность поддерживать установленный статус метилирования в процессе репликации. Этот процесс называется поддерживающим метилированием.

Ферменты метилированияМетилирование остатка цитозина представляет собой перенос метильной группы с молекулы донора на пятый атом углерода в молекуле цитозина ферментативным путем. В клетке наблюдаются два независимых процесса метилирования, осуществляемых, по-видимому, разными ДНК-метилтрансферазами. В первом случае наблюдается приобретение метилированного статуса CpG динуклеотидом, который прежде не был метилирован (реакция метилирования de novo). Во втором, происходит восстановление метилированного состояния CpG динуклеотида из полуметилированного, возникающего в результате полуконсервативной репликации ДНК, т.е. осуществляется передача по наследству характерного статуса метилирования ДНК в ряду клеточных генераций (поддерживающее метилирование).

У млекопитающих наиболее изученным является фермент ДНК(цитозин-5)-метилтрансфераза 1 (Dnmtl), которая в соматических клетках млекопитающих является основным ферментом, имеющим метилтрансферазную активность (Yoder et al. 1997). С-концевой домен Dnmtl имеет такую же структуру, что и осуществляющие метилирование цитозина ферменты бактерий, которые содержат 10 консервативных мотивов, образующих каталитический центр (Bestor et al. 1988). N-концевой домен представляет собой регуляторную область. Он содержит сигнал ядерной локализации - последовательность, направляющую фермент в локус репликации ДНК (Liu et al. 1998), и район взаимодействия с белкомрепликации PCNA (Chuang et al. 1997) и фактором регуляции клеточного цикла Rb (Pradhan and Kim 2002). Необходимость Dnmtl для развития млекопитающих продемонстрирована на мышах. Их эмбриональные стволовые клетки с гомозиготной инактивацией Dnmtl нормально размножаются, имея сильно деметилированный геном, но погибают при индукции дифференцировки in vitro. Мышиные эмбрионы, несущие дефектную Dnmtl, умирают при имплантации (Li et al. 1992). Показано, что Dnmtl имеет in vitro высокое сродство к полуметилированной ДНК, как к субстрату для метилирования CpG динуклеотидов. Поэтому считается, что главная ее функция in vivo заключается в осуществлении поддерживающего метилирования, исполнение которого скоординировано в пространстве и времени с процессом репликации. В тоже время Dnmtl проявляет небольшую способность к метилированию ДНК de novo, которая модулируется как изменениями в N-концевом домене фермента (Bestor 1992), так и вторичной структурой ДНК (Gacy et al. 1995). При этом, вероятно, именно она ответственна за распространение метилирования за пределы центров метилирования, как это показано в прямых тестах с очищенной ДНК (Carotti et al. 1998).

В настоящее время у млекопитающих известно еще три гена, кодирующие белки, аминокислотная последовательность которых также содержит метилтрансферазный домен. Они были обозначены как Dnmt2 (Yoder and Bestor 1998), Dnmt3a и Dnmt3b (Okano et al. 1998). Белок Dnmt2 содержит 6 из 10 консервативных метилтрансферазных мотивов, но лишен большого N-концевого домена. Его мРНК присутствует в малых количествах во всех типах клеток, но, несмотря на наличие метилтрансферазного домена, выявить у Dnmt2 какой-нибудь метилтрансферазной активности на настоящий момент не удалось (Yoder and Bestor 1998).Dnmt3a и Dnmt3b экспрессируются в больших количествах в эмбриональных стволовых клетках, но в тканях взрослого организма их экспрессия подавлена. Их С-концевой домен аналогичен цитозинметилирующим ферментам, тогда как последовательность N-концевого отличается от аналогичного домена Dnmtl. Было показано, что обе эти метилтрансферазы обладают одинаковой способностью метилировать полуметилированную и неметилированную ДНК (Okano et al. 1998). Мутация в каталитических центрах Dnmt3a и Dnmt3b лишает эти ферменты способности к de novo метилированию in vivo (см. обзор Hsieh 1999). Инактивация Dnmt3a и Dnmt3b в эмбриональных стволовых клетках показала их необходимость для нормального эмбрионального развития млекопитающих (Okano et al. 1999). В той же работе было продемонстрировано, что эти метилтрансферазы имеют как общие сайты метилирования, так и строго специфичные. Так, Dnmt3b участвует в метилировании минисателлитных повторов центромеры, тогда как Dnmt3a нет.

Исследование уровня мРНК трех человеческих метилтрансфераз DNMT1, DNMT3a и DNMT3b показало, что они проявляют координированный характер экспрессии, как в эмбриональных клетках, так и в тканях взрослого организма (Robertson et al. 1999). По всей видимости, в процессе метилирования ДНК de novo участвуют все три метилтрансферазы, специфически распределяя роли в установлении паттерна метилирования генома. Для установления импринтинга в женских половых клетках показана также необходимость присутствия белка DNMT3L, который не имеет метилтрансферазной активности и колокализуется вместе с DNMT3a и DNMT3b, в то время как за поддержание этого импринтинга ответственна ооцит-специфическая изоформа DNMTlo (Jaenisch and Bird 2003).

Метилирование как динамический процессСтатус метилирования ДНК в любой клетке устанавливается в результате сочетания динамических процессов метилирования и деметилирования. В популяции клеток CpG динуклеотиды могут иметь один из трех профилей метилирования (Turker 1999): полностью метилированные (уровень метилирования почти 100%), неметилированные (около 0%) ичастично метилированные (между 0 и 100%), - представляя собой усредненный показатель метилирования, определенный анализом большого числа аллелей. В случае импринтированных генов и генов инактивированной в женских клетках хромосомы X промежуточный уровень метилирования (около 50%) отражает альтернативное состояние метилирования двух аллелей. Такая наследуемая совокупность всех неметилированных, частично метилированных и полностью метилированных СрО динуклеотидов для данной области ДНК получила название паттерна метилирования. В первых экспериментах, показавших существование воспроизведения статуса метилирования искусственно метилированной ДНК при делении клеток, также наблюдалось относительно низкая точность этого процесса (\Vigler й а1. 1981). После многих клеточных генераций, исследуемая ДНК сохранила метилирование, но на значительно меньшем уровне, чем это было в начале. Количественные исследования эндогенных СрО динуклеотидов подтвердили относительную стабильность паттерна метилирования е1 а1. 1998).

Клеточные клоны, в которых изучаемые сайты первоначально были неметелированными, приобретали метилирование, а клоны с метилированными Срв динуклеотидами его теряли. Динамические изменения в деталях статуса метилирования исследовались в области промотора мышиного гена АрМ (Тигкег 1999). Этот ген обладает СрО-островком, который включает промотор, первый и второй экзоны и первый интрон. Было показано, что статус метилирования Срв динуклеотидов, расположенных в непосредственной близости от начала СрО-островка вне его границ, не однороден в клеточной популяции, тогда как СрО динуклеотиды в составе всех сайтов метилчувствительной рестриктазы НраН внутри СрО-островка не метилированы. На основании многочисленных экспериментальных данных была предложена модель, объясняющая образование и поддержание паттерна метилирования 5' области гена АрН (рис. 3). В раннем эмбриогенезе для 5' области гена АрМ характерно неметилированное состояние. Предполагают, что процесс метилированияначинается после имплантации бластоцисты de novo метилированием в так называемом центре метилирования, активную часть которого составляют две копии В1 элементов, повторяющихся последовательностей грызунов, аналогичных повторам Alu у приматов. Затем метилирование распространяется «ниже» по направлению к промотору гена.Hl Н2 НЗА О оMCMCSpl sitesВ1 elementsВ iMCMCРисунок 3. Модель возникновения и поддержания паттерна метилирования 5' области гена Aprt мыши. А. На ранних стадиях эмбриогенеза CpG динуклеотиды в составе сайтов рестрикции фермента Hpall (Н1-НЗ) не метилированы. Б. После имплантации происходит de novo метилирование центра метилирования (МС), содержащего В1 повторы и сайт HI, и распространение метилирования за пределы этой области. В. В некоторых случаях метилирование может распространяться вплоть до сайта Н2, расположенного в непосредственной близости от начала CpG-островка. Г. Наличие сайтов связывания транскрипционного фактора Spl препятствует распространению метилирования на область промотора. Такое блокирование метилирования может распространяться от области промотора в сторону центра метилирования и приводить к деметилированию сайта Н2, препятствуя поддерживающему метилированию (по Turker 1999).

Однако, сайты связывания транскрипционного фактора Spl предохраняют промотор от экспансии метилирования, блокируя процесс вблизи сайта метилчувствительной рестриктазы Hpall. Как показано, делеции или мутации в сайтах Spl приводят к метилированию CpG-островка гена (Macleod et al. 1994; Mummaneni et al. 1995). В силу конкуренции междуимпульсами метилирования, исходящими из центра метилирования, и импульсами деметилирования, исходящими из структур промотора, этот сайт находится в динамически изменяющемся состоянии (метилирован менее чем на 50%). Таким образом, в установлении статуса метилирования участвуют два взаимоисключающих друг друга процесса: деметилирование ранее метилированных CpG динуклеотидов и de novo метилирование неметилированных CpG динуклеотидов. И, хотя, по всей видимости, паттерн метилирования ДНК в клетке в процессе развития передается по наследству точно (см. обзор Bird 2002), на уровне одиночных CpG динуклеотидов статус метилирования может варьировать. Поэтому представляется возможным нарушение профиля метилирования при сдвиге равновесия, вызванного усилением или ослаблением одного из двух противоборствующих процессов и развивающегося на протяжении нескольких клеточных поколений. Именно это, по всей видимости, и происходит при старении и злокачественной трансформации клетки.

Роль метилирования в канцерогенезеПо отношению к нормальной регуляции метилирования ДНК выделяют два нарушения, являющиеся характерными для опухолей. Трансформированные и опухолевые клетки практически всех типов одновременно имеют широкораспространенную по геному потерю метилирования в нормально метилированных сайтах и локальное гиперметилирование CpG-островков, неметилированных в нормальных клетках (рис. 3). Каждое из этих нарушений может иметь глубокие последствия для функционирования генома, и взаимодействие между ними представляется особенно важным для опухолевой прогрессии. Наиболее явно это проявляется при стабильной эпигенетической инактивации экспрессии генов-супрессоров, которая оказывает такой же эффект, как и генетические нарушения. По аналогии с мутациями, этот феномен был назван эпимутацией, т.е. эпигенетический эквивалент генетической инактивирующей мутации.A. f9 99 99 9? 99W99W9 99Ь" 2lg-МЛ¡Vj2hlh-^?( DMTase )QOMTaseJ) -^Рисунок 4. Изменения системы метилирования в опухоли. Показана структура типичного гена, содержащего CpG-островок: экзоны представлены пронумерованными прямоугольниками. CpG динуклеотиды - кружками (белые - неметилированные. черные — метилированные); DMTase - ДНК-метилтрансфераза; ? - регуляторные факторы. А. В нормальных клетках редкие CpG динуклеотиды вне CpG-островка в большой степени метилированы, тогда как внутри СрО-островка CpG динуклеотиды остаются неметелированными. Такое положение позволяет осуществлять транскрипцию гена (показана стрелкой). Б. В опухолевых клетках происходит локальное гиперметилирование CpG динукдеотидов в области СрО-островка и деметилирование вне его границ. Первое изменение ведет к блокированию транскрипции. Также может происходить нарушение в функционировании ДНК-метилтрансферазы, что сопровождается увеличением активности фермента и возможными изменениями в регуляции белка путем повреждения регуляторных факторов (по Herman 1999).

В тоже время вклад метилирования ДНК в канцерогенез не ограничивается исключительно эпигенетическими нарушениями. Как было сказано ранее, 5-метилцитозин обладает значительной нестабильностью и способен выступать в качестве горячей точки мутагенеза. Также следует отметить, что метилирование подавляет процесс гомологичной рекомбинации и, таким образом, глобальное деметилирование генома может способствовать генетической нестабильности опухолевой клетки.

Геиетическая роль метилирования ДНК в канцерогенезе Мутации в опухолевых клетках. 5-метилцитозин подвергается спонтанному дезаминированию в результате тепловых флуктуаций даже в обычных условиях (Bird 1995). В результате этого процесса возникает остаток тимина, и в ДНК происходит образование неканонической пары оснований G:T, которая является мишенью для системы репарации. Хотя ферменты репарации предпочтительно удаляют тимин из этой пары и восстанавливают исходную последовательность (пара G:C), тем не менее с небольшой вероятностью мутации возникают, и происходит замена пары G:C на А:Т. Именно нестабильностью 5-метилцитозина объясняется низкий уровень CpG динуклеотидов в геноме млекопитающих, в результате того, что на протяжении эволюции происходили многочисленные замены пар G:C на А:Т (Gardiner-Gardner and Frommer 1987). Так, в сутки в каждой клетке человека происходит -100 реакций дезаминирования 5-метилцитозина, многие из которых приводят к заменам пар G:C на А:Т. Например, из -300 мутаций гена-супрессора ТР53 (главного хранителя целостности генома), зарегистрированных в опухолях человека разного происхождения, 25-30% относятся к мутациям данного типа (Pfeifer 2000). Таким образом, спонтанный мутагенез (в отсутствие каких-либо экзогенных и эндогенных агентов, повреждающих ДНК) идет в клетках человека весьма активно и повреждает многие гены, в том числе и гены-супрессоры опухоли.

Нестабильность генома. Одним из характерных признаков опухолевой клетки является тотальное деметилирование ДНК. Этот процесс, по-видимому, оказывает крупномасштабное дестабилизирующее воздействие на геном. Так, гипометилирование ДНК в эмбриональных мышиных клетках, лишенных гена Dnmtl, приводит к десятикратному возрастанию частоты образования делеций и инсерций в уникальных генах (Chen et al. 1998). Искусственное метилирование участков ДНК, являющихся горячими точками рекомбинаций у грибов, ингибирует гомологичную рекомбинацию во время мейоза (Maloisel and Rossignol 1998). Хотя приведенныенаблюдения получены при исследовании нормальных клеток, и прямых причинно-следственных отношений между гипометилированием ДНК и хромосомными аномалиями для опухолевых клеток не выявлено, нестабильность генома, возникающая в результате такого рода нарушения системы метилирования, представляется при канцерогенезе весьма вероятной.

В тоже время локальное гиперметилирование промоторных областей ряда генов, содержащих CpG-островки, и сопровождаемая этим инактивация экспрессии, также может способствовать дестабилизации генома. Оказалось, что этот процесс предшествует и, по-видимому, является необходимым для некоторых генетических событий, облегчающих прогрессию опухоли. Наиболее прямая на нынешний день связь между генетическим нарушением и предшествующей ему эпигенетической инактивацией описана для эп и мутации гена системы репарации hMLHl и мутациями в микросателлитных повторах в опухолях кишечника, отличающихся MIN+ ("microsatellite instability") фенотипом (Herman et al. 1998). При этом гиперметилирование hMLHl происходит на ранних стадиях прогрессии, прежде чем появляются нарушения в микросателлитах (Esteller et al. 1999). В опухолях человека также продемонстрирована связь между гиперметилированием промотора другого гена репарации ДНК MGMT и возникновением мутаций (G:C - А:Т транзиция) в гене супрессоре ТР53 (Zhang et al. 2003) и протоонкогене K-ras (Esteller et al. 2000). При этом, как и в случае hMLHl, эпимутация MGMT предшествует появлению мутаций в генах TP53 и K-ras.

Эпигенетическая роль метилирования ДНК в канцерогенезеОбщее деметилирование генома. Одним из первых обнаруженных нарушений в опухолевых клетках оказалось снижение общего уровня метилирования геномной ДНК, которое происходит на ранних стадиях прогрессии опухоли (см. обзор Baylin et al. 1998). Возможная связь гипометилирования ДНК с трансформацией клеток показана в экспериментахна грызунах. У животных, лишенных 8-аденозил-метионина в пище, дефицит донора метильных групп приводил к гипометилированию ДНК и последующему возникновению опухолей печени (Pogribny е1 а1. 1995). Однако, несмотря на столь ясную ассоциацию гипометилирования ДНК с образованием опухолей, конкретные механизмы реализации его канцерогенного эффекта остаются невыясненными. Предполагают существование двух типов последствий деметилирования генома: локальные нарушения, влияющие на активность отдельных генов, и общее изменение, затрагивающее структуру хроматина.

Имеются отдельные наблюдения, свидетельствующие о том, что этот процесс в клетках опухолей человека и животных может изменять характер экспрессии различных генов и специфически активировать отдельные онкогены, в частности К-ИАЗ в карциномах легких и толстого кишечника (см. обзор ВауНп е1 а1. 1998). Как и в случае общего деметилирования, эти локальные ген-специфические изменения также происходят на ранних этапах, иногда задолго до появления опухоли, в частности в доброкачественных полипах, которые служат предшественниками опухоли. В тоже время, такого рода изменения в опухолевой клетке не носят общего характера. Четкая взаимосвязь между характером метилирования ДНК и регуляцией экспрессии наблюдается для промоторов, содержащих СрО динуклеотиды, как одиночные, так и в составе СрО-островков. Так как подавляющее большинство СрО-островков в нормальных клетках не метилировано, то, следовательно, мишенью для гипометилирования в опухолевых клетках они быть не могут. Что касается генов с одиночными СрО динуклеотидами в промоторной области, то деметилирование определенных сайтов может способствовать активации гена, но только, если в клетке присутствует специфический транс-активирующий транскрипционный фактор. Именно этим, по всей видимости, объясняется ограниченное количество генов, активированных в опухолях в результате гипометилирования генома.

С другой стороны, деметилирование генома как феномен крупномасштабный может оказывать воздействие на экспрессию генов и косвенно, видоизменяя структуру хроматина. Как известно, последовательности ДНК неактивного, компактного хроматина (гетерохроматина) интенсивно метилированы, что ставит их в функциональном отношении в угнетенное положение (блок транскрипции, поздняя репликация). Тотальное деметилирование может кардинально повлиять на структуру хроматина, степень его конденсации, время репликации, что может повлечь за собой изменения в статусе экспрессии различных генов. О возможности таких нарушений свидетельствует ряд наблюдений. Так, в частности, показано, что гипометилирование генома, обусловленное воздействием деметилирующего агента 5-азацитидина, ведет к трансформации некоторых клеточных культур (Rainier and Feinberg 1988), а также к нарушениям процесса расхождения хромосом во время митоза (см. обзор Baylin et al. 1998).

Локальное гиперметилирование в опухолевой клетке распространяется на относительно небольшую часть (-20%) CpG динуклеотидов, которые образуют CpG-островки, располагаются, как правило, вблизи регуляторных областей генов и имеют в нормальных клетках неметилированный статус. Исследования последнего десятилетия показали, что инактивация генов супрессоров опухоли, ассоциированная с гиперметилирование промоторной области, является таким же характерным признаком опухолей человека, как и генетические нарушения, и служит альтернативным механизмом потери функции генов супрессоров (Baylin et al. 1998; Herman 1999; Лихтенштейн и Киселева 2001).

Ниже приведена краткая характеристика некоторых генов, инактивация которых в опухолевых клетках происходит во многих случаях путем гиперметилирования регуляторной области.

Ген кальцитонина. Первый ген, для которого было показано, что он имеет в промоторе CpG-островок, гиперметилированный у человека влимфомах и при раке легкого (Baylin et al. 1986). Дальнейшие исследования продемонстрировали, что CpG-островок кальцитонина интенсивно метилирован во многих солидных опухолях человека, при лейкозах и в клеточных линиях, трансформированных различными вирусами (см. обзор Herman 1999). Хотя роль этого гена в процессе канцерогенеза до сих пор остается не выясненной, наблюдаемые в нем изменения характера метилирования инициировали поиски функционально более значимых мишеней аберрантного метилирования CpG-островков.

Ген Rbl. Ген ретинобластомы - первый классический ген-супрессор, у которого обнаружено гиперметилирование CpG-островка. Примерно у 1015% больных со спорадической формой ретинобластомы происходит гиперметилирование CpG-островка, расположенного в промоторе Rbl. Также показано, что метилирование CpG-островка Rbl in vitro напрямую блокирует активацию промотора транс-активирующими транскрипционными факторами и значительно снижает уровень экспрессии (Ohtani-Fujita et al. 1993). Также было показано, что метилирование CpG-островка в промоторной области Rbl наблюдается в тех аденомах гипофиза, клетки которых не экспрессируют pRb (Simpson et al. 2000). Хотя мутации и делеции гена Rbl отмечают при многих формах рака, гиперметилирование промоторного CpG-островка обнаружено только в ретинобластомах и аденомах гипофиза.

Ген VHL (von Hippel-Lindau). Ген-супрессор, повреждения которого часто регистрируют при светлоклеточной карциноме почек. Примерно в 20% случаев спорадической светлоклеточной карциномы почек гиперметилирование CpG-островка в промоторе одного аллеля этого гена сочетается с соматическими мутациями или потерей другого аллеля (Herman et al. 1994). Подобно гену Rbl, гиперметилирование CpG-островка VHL наблюдается только в двух типах опухолей, а именно в светлоклеточной карциноме почек и гемангиобластоме, и не обнаруживается в других типах опухолей, включая и другие типы опухоли почки.

Ген pió (INK4A) кодирует ингибитор циклинзависимой киназы, блокирующий сигнальный путь cyclin D - Rb. Утрата этого белка или его инактивация ведут к тому, что клетка теряет контроль над клеточным циклом: циклинзависимая киназа фосфорилирует Rb, в результате чего из неактивного комплекса высвобождаются факторы транскрипции E2F. В итоге активируются гены, обусловливающие вхождение клетки в фазу S клеточного цикла. При этом повреждение данного сигнального пути происходит практически во всех опухолях, путем нарушения функций либо гена pió, либо гена Rbl, но никогда сразу обоих названных генов. Случаи гиперметилирования CpG-островка в 5'-области гена pió составляют от 20 до 67% солидных опухолей человека разной локализации (см. обзор Baylin et al. 1998).

Локус INK4A/ARF. Кодирует два различных белка (р 16 и ARF), которые в качестве супрессоров играют существенную роль в регуляции клеточного цикла. Первый участвует в Rb-сигнальном пути, а второй ингибирует белок MDM2, индуцирующий деградацию р53, и, таким образом, повышает уровень функционального р53. Промотор ARF содержит CpG-островок, который гиперметилирован в клеточных линиях рака толстого кишечника (см. обзор Hermán 1999). Кроме того, в промоторе гена ARF, присутствует р53-зависимый элемент, обеспечивающий подавление транскрипции этого гена в ответ на повышение уровня р53. Таким образом, метилирование промотора ARF способно нарушить регуляцию нормального уровня р53.

Ген р15 (INK4B). Расположен вблизи гена pió, обладает высокой гомологией с ним, также является ингибитором циклинзависимой киназы и экспрессируется в ответ на рост-ингибирующее действие TGF-p. В отличие от гена pió гиперметилирование промоторного CpG-островка гена р15 в солидных опухолях - событие редкое, тогда как в гематопоэтических новообразованиях оно становится доминирующим способом инактивации данного гена-супрессора (см. обзор Baylin et al. 1998).

Семейство гена р53 (TP53). Ген р53 играет важную роль «хранителя генома» и нарушения в его функционировании идентифицированы не менее чем в половине случаев рака человека. Этот ген не содержит в своей промоторной части CpG-островка, поэтому, вклад метилирования в инактивацию р53 обусловлен не эпигенетическим, как для других генов, а генетическим механизмом. Одиночные метилированные CpG динуклеотиды в значительном числе присутствуют в кодирующей последовательности гена и, в силу гипермутабельности 5-метилцитозина, участвуют в замене пары G:C на А:Т. Так примерно треть из более, чем 300 мутаций, зарегистрированных в гене р53, принадлежит к этому типу.

Для гена р73 (гомолога р53), содержащего в своей промоторной части типичный CpG-островок, мутации, столь характерные для р53, не свойственны. Гиперметилирование этого гена и ассоциированная с ним потеря экспрессии обнаружены при остром лимфобластном лейкозе и лимфомах (см. обзор Herman 1999).

Ген E-cadherin. Семейство генов кадхеринов кодирует белки, расположенные на клеточной поверхности и принимающие участие в межклеточных контактах. Они являются регуляторами клеточного размножения и дифференцировки, воздействуя на активность ряда генов через сигнальный путь [3-катенин - транскрипционный фактор Lef/Tcf. Ассоциация рядом расположенных эпителиальных клеток посредством мостика из молекул Е-кадхерина инициирует анти-ростовой сигнал, направленный внутрь клетки (см. обзор Ровенский 1998). E-cadherin — ген-супрессор, инактивация которого способствует приобретению опухолевой клеткой свойств инвазивности и метастазирования. Инактивация транскрипции этого гена обнаружена во многих опухолях человека, при этом в ряде случае оно обусловлено гиперметилированием CpG-островка этого гена, в частности в опухолях молочной железы, желудка, предстательной железы, печени и щитовидной железы (Graff et al. 1995; Herman 1999).

Ген рецептора эстрогенов (ER') является геном-супрессором, модулирующим клеточный рост и дифференцировку. Функциональная инактивация ER считается главной причиной гормональной резистентности клеток рака молочной железы (Baylin et al. 1998). В промоторной области гена ER имеется CpG-островок, гиперметилирование которого характерно для опухолей молочной железы, не экспресирующих эстрогеновый рецептор (см. обзор Herman 1999). Отмечена четкая ассоциация гиперметилирования CpG-островка гена ER со многими видами опухолей человека, в частности с карциномой толстого кишечника и лейкемиями.

Ген HIC-1 (hypermethylated in cancer) кодирует белок, относящийся к семейству транскрипционных факторов с последовательностью «цинкового пальца». Предположительно является геном-супрессором. Гиперметилирование CpG-островка этого гена отмечено во многих опухолях человека и ассоциировано со снижением его экспрессии. В промоторной зоне HIC-1 содержится сайт связывания р53, что предполагает его участие в этом сигнальном пути (Baylin et al. 1998).

Ген GST-тг. Глутатион-Б-трансфераза ж класса относится к группе изоферментов, играющих важную роль в защите клеток от цитотоксических и канцерогенных агентов. Гиперметилирование промоторной зоны гена присутствует в подавляющем числе случаев рака простаты, является причиной потери экспрессии GST-ж в этих опухолях и представляет собой характерный маркер этой формы опухоли (Lee et al. 1994). Метилирование гена GST-я обнаружено также при раке печени (Zhong et al. 2002), молочной железы и почек (Esteller et al. 1998), но очень редко в других опухолях.

Ген BRCA1. Белок, кодируемый этим геном, участвует в репарации повреждений ДНК. Исследования гена-супрессора BRCA1, повреждение которого увеличивает вероятность возникновения рака молочной железы, показало, что при спорадических формах этого рака в данном гене отсутствуют мутации. Это заставило предположить участие метилирования в его инактивации. Действительно, гиперметилирование CpG-островка этогогена было продемонстрировано в ряде случаев рака молочной железы, в клеточных линиях рака молочной железы, а также в клетках рака яичников. В противоположность гену BRCA1, гиперметилирвание CpG-островка его функционального гомолога BRCA2 в тех же опухолях не обнаружено (см. обзор Herman 1999).

Ген MLH1. Продукт этого гена участвует в репарации неспаренных оснований, возникающих в результате ошибок ДНК полимеразы. Инактивация MLH1 ведет к накоплению мутаций в коротких повторяющихся (микросателлитных) последовательностях. Его мутации обнаруживают у больных наследственным неполипозным раком толстой и прямой кишки. В случае спорадической формы этого рака потеря функциональной активности гена MLH1 часто связана с метилированием его CpG-островка. Установлено, что микросателлитная нестабильность при спорадической форме рака толстого кишечника, эндометрия и желудка в большинстве случаев также обусловлена этой причиной (см. обзор Herman 1999).

Ген MGMT кодирует фермент 06-метилгуанин-метилтрансферазу, принимающую участие в репарации ДНК. Ранние работы не обнаруживали взаимосвязи между метилированием и потерей экспрессии данного гена в культурах клеток, однако, в дальнейшем было показано, что гиперметилирование CpG-островка гена MGMT ассоциировано с инактивацией его транскрипции и сопровождается перестройкой структуры хроматина в неактивное состояние (см. обзор Herman 1999). Метилирование регуляторной области MGMT характерно для рака толстого кишечника, легкого, некоторых типов лимфом и опухолей мозга (Esteller et al. 1999), а также для карцином печени (Zhang et al. 2003). У человека показана корреляция между гиперметилированием промотора MGMT и последующим за этим возникновением мутаций (замена G на А) в гене супрессоре опухолевого роста ТР53 в опухолях толстого кишечника (Esteller et al. 2001), при раке легкого (Wolf et al. 2001) и печени (Zhang et al. 2003), а также в протоонкогене K-ras в опухолях толстого кишечника (Esteller et al. 2000).

Ген CACNA1G кодирует белок кальциевого канала Т-типа (Toyota et al. 1999). Расположен на хромосоме 17 в зоне 17q21, где при различных формах злокачественных новообразований человека отмечен феномен потери гетеро зиготности. Ген экспрессируется в нормальной слизистой толстого кишечника и в клетках костного мозга, но в опухолях толстой и прямой кишки, желудка и при остром миелоидном лейкозе его транскрипция подавлена из-за метилирования CpG-островка. Предполагают, что CACNA1G регулирует потоки кальция в клетке, что имеет непосредственное отношение к клеточной пролиферации и апоптозу.

Ген THBS1. Ген тромбоспондина-1, кодирующий ингибитор ангиогенеза, экспрессируется во многих тканях и регулируется продуктами генов TP 53 и RB. Снижение экспрессии гена THBS1 отмечено во многих опухолях, а восстановление его экспрессии в клетках рака молочной железы замедляет рост опухоли, ангиогенез и метастазирование. До сих пор не обнаружено мутаций, делеций или транслокаций этого гена в опухолях человека. Гиперметилирование CpG-островка и сопряженная с ним инактивация THBS1 отмечены в глиомах (Li et al. 1999).

Модуляция активности ДНК-метилтрансфераз. Первоначально считалось, что характерным свойством трансформированных клеток является повышение активности Dnmtl (см. обзор Baylin et al. 1998). Однако в дальнейшем было показано, что увеличенная активность этой метилтрансферазы возникает как результат более высокого уровня пролиферации опухолевых клеток. Кроме того, в некоторых типах опухолей не было обнаружено какой-нибудь значимой корреляции между метилированием CpG-островков и уровнем мРНК не только DNMT1, но и DNMT3a и DNMT3b (Saito et al. 2001; Oue et al. 2001; Ahluwalia et al. 2001). Хотя гиперэкспрессия экзогенной DNMT1 может привести к клеточной трансформации (Vertino et al. 1996), в опухоли, по-видимому, происходит нарушение специфичности взаимодействия фермента с ДНК. Это приводит к ошибочному метилированию CpG-островков, неметилированных внормальных клетках. Такие нарушения регуляции опосредованы изменениями во взаимодействии между Dnmtl и ее регуляторами, в число которых входят как онкогены, так и гены-супрессоры опухолевого роста. Так, в экспериментах на культурах клеток показана связь между метилированием ДНК и ras-опосредованными путями передачи митогенных сигналов. Введение в мышиные адренокортикальные опухолевые клетки Y1 экзогенного негативного регулятора Ras (Gap) приводило, с одной стороны, к снижению уровня мРНК и активности Dnmtl, а с другой - к восстановлению нормального фенотипа. Последующая трансфекция в полученные таким образом ревертанты экзогенного H-ras повышало уровень экспрессии мРНК и активности фермента и восстанавливало трансформированный фенотип (MacLeod et al. 1995). В экспериментах с клетками, трансформированными коститутивно-экспрессируемым c-fos, продукт которого расположен в цепи передачи сигнала после Ras, установлено, что подавление экспрессии Dnmtl или ее активности восстанавливает нормальный фенотип на фоне неизменной экспрессии экзогенного c-fos (Bakin and Curran 1999). Также было установлено, что супрессор опухолевого роста Rb (регулятор клеточного цикла) взаимодействует с DNMT1, модулируя ее активность (Pradhan and Kim 2002). Показано, что при связывании Rb с DNMT1 происходит ингибирование трансферазной активности. Также продемонстрировано, что ингибитор циклин-зависимых киназ p21UAFI может конкурировать с DNMT1 за связывание с PCNA в нормальных клетках и принимать, таким образом, опосредованное участие в модуляции активности DNMT1 (Chuang et al. 1997).

В тоже время нарушение регуляции метилтрансферазной активности в опухолевых клетках не ограничивается только DNMT1. Было показано, что одновременно с DNMT1 происходит изменение специфичности также и DNMT3a (Di Croce et al. 2002) или DNMT3b (Rhee et al. 2002). Исследование слитного белка PML-RAR, который является онкогенным транскрипционным фактором, образующимся при острой промиелоцитарной лейкемии (ОПЛ) врезультате транслокаций, показало, что данный белок напрямую взаимодействует с метилтрансферазами ОЫМТ1 и ОИМТЗа в клеточных линиях, полученных от больных с ОПЛ Сгосе е1 а1. 2002). С помощью хроматин-иммунопреципитации было продемонстрировано, что ОЫМТ1 и ЭЫМТЗа в присутствии и вместе с РМЬ-ЯАЯ предпочтительно локализуются в области промотора гена КАКр2. Это приводит к метилированию Срв-островка гена ЯАЯ/И и инактивации его транскрипции. Таким образом, нарушение нормальной регуляции метилтрансфераз является важным этапом в прогрессии опухоли.

Сравнительный анализ современных методов определения статусаметилирования ДНК.

Несмотря на отсутствие понимания механизмов нарушения метилирования ДНК в канцерогенезе, различие паттернов метилирования нормальной и опухолевой клеток широко используются для оценки широты распространения аберрантного метилирования в опухолях, для выявления генов, утрата функций которых вносит вклад в развитие опухолей, и для поиска диагностических маркеров опухолей разных типов.

Методы анализа статуса метилирования СрС динуклеотидов.

Применение метилчувствительных эндонуклеаз рестрикции. Для анализа статуса метилирования Срв динуклеотидов, находящихся в сайте узнавания, часто используют пары рестрикционных эндонуклеаз, являющихся изошизомерами и различающихся по чувствительности к метилированию остатков цитозина (например, пары НраП и МБр1, Тац1 и 8аиЗА, 8та1 и Хта1). В сочетании с гибридизацией методом Саузерна или ПЦР этот способ позволяет установить, метилирован или нет сайт узнавания соответствующих рестриктаз. Применение подхода ограничено тем, что набор соответствующих изошизомеров не затрагивает всех СрО-динуклеотидов, присутствующих в исследуемой последовательности. Тем не менее, этот метод долгое время был единственным, и именно с его помощьюбыли обнаружены и первый маркер метилирования кальцитонин и первые абберантно-метилированные гены-супрессоры Rbl и р16.

Картирование метилированных цитозиновых остатков в известной последовательности ДНК (Clark et al. 1994). Метод основан на превращении всех неметилированных остатков цитозина в остатки урацила в результате обработки ДНК бисульфитом натрия. При этом цепочки ДНК оказываются в участках модификации некомплементарными друг другу. Амплификация исследуемой последовательности с помощью ПЦР и последующее стандартное секвенирование выявляют как цитозин только те цитозиновые остатки, которые в исходной цепочке были метилированы. Преимуществом данного метода является возможность установить статус метилирования каждого CpG динуклеотида в исследуемой последовательности ДНК. Высокая чувствительность метода позволяет исследовать статус метилирования отдельных генов в раннем эмбриональном развитии (на стадии двух клеток), а также выявлять те динуклеотиды CpG в составе CpG-островков, метилирование которых необходимо и достаточно для подавления транскрипции соответствующего гена (Walsh and Bestor 1999; Warnecke et al. 1998; Cote et al. 1998).MSP (methylation-specific PCR) - метод, позволяющий оценивать статус метилирования группы близкорасположенных CpG динуклеотидов в составе CpG-островка. Его большим достоинством является высокая чувствительность, позволяющая анализировать метилированные аллели в присутствии большого избытка аллелей дикого типа (1 метилированный аллель на 1000 неметилированных; Herman et al. 1996), и возможность быстро проводить анализ большого числа образцов. Как и в предыдущем методе, процедура состоит в предварительной обработке исследуемых ДНК бисульфитом натрия. Для амплификации модифицированной ДНК конструируют праймеры, избирательно амплифицирующиепоследовательности, содержащие или метилированные, или неметилированные остатки цитозина. Данный метод позволяет проводитьскрининг статуса метилирования определенных CpG динуклеотидов в составе CpG-островка исследуемого гена в опухолях различной локализации.

Таким образом, если метод картирования метилированных цитозиновых остатков в известной последовательности ДНК позволяет обнаружить CpG динуклеотиды, необходимые и достаточные для инактивации транскрипции определенного гена, то метод MSP можно использовать для быстрого исследования статуса метилирования этих CpG динуклеотидов и, соответственно, функциональной активности соответствующего гена, в различных опухолях.

Методы идентификации CpG-островков, аберрантно-метилированных вопухолях.MCA (methylated CpG island amplification) - метод, позволяющий избирательно амплифицировать CpG-островки, дифференциально метилированные в нормальных и опухолевых клетках, а затем клонировать и секвенировать их (Toyota et al. 1999). ДНК вначале обрабатывают рестриктазой Smal (сайт узнавания CCCGGG не расщепляется, если он содержит 5-метилцитозин), которая дает фрагменты с "тупыми" концами. Метилированные сайты CCCGGG затем расщепляют нечувствительной к метилированию рестриктазой Xmal, которая формирует фрагменты с "липкими" концами. Именно последние могут взаимодействовать с адаптерами и быть в последующем амплифицированны. В сочетании с методом репрезентативного дифференциального анализа (RDA) (Lisitsyn et al. 1993) этот подход позволяет избирательно амплифицировать CpG-островки, аберрантно метилированные в опухолевых клетках. Таким способом в клетках рака толстого кишечника были идентифицированы и клонированы 33 последовательности, включая фрагменты известных генов (РАХ6, Versican, a-tubulin, CSX, ОРТ и др.).RLGS (restriction landmark genomic scanning) позволяет одновременно анализировать статус метилирования в геноме нескольких тысяч CpG-островков (Eng et al. 2000; Costello et al. 2000). Суть метода заключается вразделении двухмерным электрофорезом рестрикционных фрагментов, полученных обработкой геномной ДНК несколькими рестриктазами. Вначале ДНК обрабатывают крупнощепящей рестриктазой NotI, сайты которой предпочтительно располагаются в CpG-островках и которая расщепляет только неметилированные сайты. Затем полученные фрагменты метят по концам радиоактивной меткой, рестрицируют вторым ферментом (например, EcoRV) для уменьшения их размеров и продукты гидролиза разделяют в первом направлении (в капиллярной трубке с агарозным гелем). Разделенные фрагменты Notl/EcoRV обрабатывают in situ (т.е. в геле) еще одной рестриктазой (например, Hinfl) для большей фрагментации ДНК, после чего проводят электрофорез в полиакриламидном геле во втором направлении. Пластину геля авторадиографируют и в результате выявляют множество пятен, положение которых строго определено. По их интенсивности судят о степени метилирования соответствующего CpG-островка. Интенсивность пятна, принятая за нормальную, свидетельствует о неметилированном статусе обоих аллелей, наполовину сниженная - о метилировании одного из аллелей, исчезновение пятна - о метилировании обеих аллелей (соответствующий сайт не расщепляется NotI). Именно этим методом было продемонстрировано широкое распространение аберрантного метилирования СрО-островков во многих типах опухолей.

СП-ПЦР (метилчувствительная ПЦР со статистическими GC-богатыми праймерами) используется для поиска CpG-островков, абберантно-метилированных в опухолях (Gonzalgo et al. 1997; Liang et al. 1998). Достоинством метода является возможность выявления ранее неизвестных CpG-островков. Метод основан на использовании статистических праймеров с GC-богатым 3' концом, амплифицирующих в неспецифических условиях GC-богатые участки генома, включая и CpG-островки. Различие в статусе метилирования фрагментов выявляют с помощью предшествующей амплификации обработки ДНК метилчувствительными рестриктазами. При использовании различных вариантов праймеров этот метод позволяет вестиширокий скрининг дифференциально метилированных в нормальной и опухолевой тканях ОС-богатых последовательностей (подробнее о принципе метода см. в разделе "Результаты").

Заключение.

Развившиеся в последние годы интенсивные исследования метилирования ДНК и нарушений этого процесса при канцерогенезе открывают возможности для разработки новых подходов, как для изучения механизмов канцерогенеза, так и для диагностики, мониторинга, прогноза, а возможно и терапии опухолей. В отличие от мутаций, модификация ДНК путем метилирования цитозиновых остатков принципиально обратима, так как не приводит к изменению генетического кода. Метилирование может быть устранено, а функционирование генов восстановлено, хотя бы частично, при обработке опухолевых клеток деметилирующими агентами. В настоящее время ведется разработка подобных веществ. Также в настоящее время проводится поиск маркеров, метилирование которых специфично для опухолей определенного типа. Для некоторых опухолей уже показана возможность обнаружения аберрантно метилированных генов на микроколичествах ДНК, выделенных из слюны, сыворотки и форменных элементов крови, соскобов слизистой ткани высокочувствительными методами, основанными на ПЦР. В связи с этим выявление маркеров метилирования представляется перспективной и важной задачей.

Буфер ТВЕ, 5:Материалы и методы. 1. Список использованных реактивов.

Образцы рака шейки матки и морфологически нормальных прилегающих тканей были получены в отделении радиохирургии РОНЦ им. Н.Н. Блохина РАМН в результате оперативных вмешательств и любезно предоставлены д.м.н. Нечушкиным М.И. Клинический диагноз был подтвержден патоморфологическим исследованием в отделении патоморфологии РОНЦ им. Н.Н. Блохина РАМН д.м.н. Смирновым А.В. Морфологически нормальные ткани, прилегающие к опухолевым тканям, не содержали опухолевых клеток по данным гистологических исследований. Сбор материала и создание банка биопсийного материала осуществляли ст.н.с. Л.А. Семенова и н.с. Л.С. Павлова. Образцы хранили и транспортировали в жидком азоте. ДНК и РНК выделена гуанидинизотиоционатным методом и любезно предоставлена сотрудниками лаборатории молекулярной биологии вирусов Т. Грицко, М. Атталеб и В.

Кобзевой. Всего было "йс^ЛГб^овано 30 образцов плоскоклеточного рака шейки матки, имеющих стадии опухолевой прогрессии Т1а-Т3 и классифицированных согласно критериям ВОЗ. Все исследуемые образцы опухолей шейки матки были позитивны по ИРУ-16 или НРУ-18. Также в работе были использованы клеточные линии рака шейки матки НеЬа и 81На.

3. Выделение ДНК и РНК из клеточных культур.

4. Выделение ДНК из лейкоцитов.

5. Рестрикция геномной ДНК.

Для рестрикции геномной ДНК мы использовали два типа эндонуклеаз рестрикции (далее рестриктазы - табл.1). На первом этапе определенное количество ДНК из нормальной и опухолевой тканей инкубировали с рестриктазой, не содержащей в составе своего сайта рестрикции Срв динуклеотиды. Затем отбирали половину или одну треть обработанной таким образом ДНК и добавляли к ней рестриктазу, чувствительную к статусу метилирования Срв динуклеотидов в составе своего сайта рестрикции. В дальнейшем аликвоту рестрицированной ДНК использовали в реакции амплификации. Все рестриктазы использовали с 5 кратным избытком (1 мкг ДНК - 5 ед. фермента) и инкубировали с ДНК в течение 14-16 ч. В случае метилчувствительных рестриктаз обработку проводили в два этапа, с добавлением на втором этапе половины первоначального количества фермента и инкубированием в течение 3-4 ч.

Таблица 1. Эндонуклеазы рестрикции.

Данный метод основан на способности иона гидросульфита, получающегося при растворении бисульфита натрия в воде, взаимодействовать с цитозином в составе одноцепочечной ДНК с превращением последнего в урацил. В тоже время 5-метилцитозин при тех же условиях модификации не подвергается. В дальнейшем производится амплификация исследуемой последовательности ДНК с помощью ПЦР. При этом все остатки урацила и тимина амплифицируются как тимин и только 5-метилцитозин воспроизводится как цитозин (Olek et al. 1996).

7. Полимеразная цепная реакция.

7.1. Праймеры.

При выборе праймеров, для повышения специфичности ПЦР, необходимо следовать некоторым требованиям. Так, длина праймера должна быть от 18 до 40 нуклеотидов в зависимости от назначения. Следует избегать появления вторичных структур в праймере и более трех-четырех одинаковых нуклеотидов подряд. Используемые в одной реакции праймеры не должны иметь комплементарных участков. Для оценки структуры праймеров мыиспользовали компьютерную программу Oligo 4.1 Primer Analysis Software. Состав праймеров, использованных в данной работе, приведен в таблице 2.

Таблица 2. Праймеры.

Точное значение температуры подбирали экспериментальным путем, используя температурный градиент.

7.2. Метилчувствительная ПЦР со статистическими СС-богатымипраймерами.

7.3. Метилчувствительная ПЦР со специфическими праймерами.

7.4. Метилспецифическая ПЦР.

8. Выделение продуктов ПЦР из гелей.

8.1. Выделение продуктов ПЦР из полиакриламидного геля.

8.2. Выделение продуктов ПЦР из агарозного геля.

Выделение продуктов ПЦР после электрофореза проводили из 1% легкоплавкой агарозы ("Sigma", США) с помощью системы Wizard* PCR Preps DNA Purification System ("Promega", США) по методике, предложенной фирмой.

9. Клонирование продуктов ПЦР.

9.1. Вектор.

Для клонирования продуктов ПЦР мы использовали плазмиду pGEM -Т Easy, входящую в состав системы pGEM®-T Easy Vector System ("Promega", США). Так как некоторые термостабильные ДНК-полимеразы, вчастности Taq ДНК-полимераза, часто добавляют на 3' конец амлификатаw (к)одиночным дезоксиаденозин, то вектор pGEM -Т Easy содержит в сайте клонирования на обоих 3' концах исскуствено добавленный одиночный концевой тимидин. Эта модификация позволяет значительно увеличить эффективность лигирования продукта ПЦР и плазмиды, поскольку обеспечивает комплементарность концов продукта ПЦР и плазмиды и снижает вероятность самолигирования вектора. Отбор трансформированных клонов вели по их резистентности к ампицилину, обеспечиваемой вектором pGEMK-T Easy, и с помощью биохимического теста, именуемого бело-голубой селекцией. Несущие рекомбинантные плазмиды бактерии образуют колонии белого цвета, а бактериальные клоны, содержащие только плазмиду, - голубого. Полилинкер фланкируют промоторы Т7 и SP6 РНК полимераз, что позволяет проводить определение нуклеотидной последовательности вставки, используя соответствующие праймеры.

Лигирование фрагмента ДНК, полученного в результате ПЦР, с вектором pGEMK-T Easy проводили по методике, предложенной фирмой. Трансформацию компетентных клеток проводили всем количеством полученной рекомбинантной плазмиды.

9.2. Получение компетентных клеток Escherichia coli.

Для получения компетентных клеток мы использовали штамм XL1-Blue Escherichia coli и стандартный метод с применением СаСЬ и RbCI (под ред. Гловера 1988).

9.3. Трансформация клеток Escherichia coli.

9.4. Выделение плазмидной ДНК.

Второй способ представляет собой использование системы для выделения плазмид WizarcP Plus SV Minipreps DNA Purification System ("Promega", США). Выделение проводили по протоколу, предложенному фирмой.

Количественную оценку плазмидной ДНК осуществляли спектрофотометрически. Сиквенс клонированного продукта ПЦР в составе вектора проводился на автоматическом сиквенаторе в институте Молекулярной биологии им. Энгельгардта, Россия.

10. Гель-электрофорез.

Маркер Источник ДНК Рестриктаза Фрагменты, тыс. п.о.X Pstl фаг X Pstl 0.15 0.2 0.211 0.216 0.243 0.264 0.339 0.448 0.468 0.514 0.805 I.093 1.159 1.780 1.986 2.14 2.459 2.556 2.898 4.507 4.749 5.077 II.499A. Hindlll фаг А. Hindlll 0.5 2.0 2.3 4.4 6.6 9.4 23.9100 bp исскуственный — 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.03-4 В/см в течение ночи. В дальнейшем фракционированную геномную ДНК переносили на нейлоновую мембрану и использовали в блот-гибридизации. Электрофорез плазмидной ДНК и продуктов ПЦР проводили при напряженности электрического поля 10-15 В/см в течение 30-45 мин. ДНК в геле регистрировали по флуоресценции в проходящем ультрафиолете с длиной волн от 240 нм до 360 нм. Результаты протоколировали с помощью фотографирования геля или системы Gel Imager1"1.

10.2. Электрофоретическое разделение РНК в агарозном геле.

10.3. Электрофорез ПЦР-амплифицированной ДНК в денатурирующемполиакриламидном геле.

Для проведения электрофореза в ПААГе мы использовали электрофоретический прибор Sequi-Gen ("Bio-Rad", США). В качествеYэлектрофоретического буфера использовали 1 TBE.

Для связывания геля со стеклом, одно из стекол обрабатывали "кислым" силаном (acid activated silane). Другое стекло силиконизировали диметилхлорсиланом (repel silane). Для получения геля готовили 75 мл смеси, следующего состава: 9.375 мл 40% раствора акриламид-бисакриламидV(соотношение акриламид-бисакриламид 19:1), 15 мл 5 TBE, 31.5 г мочевины и дистиллированная вода до необходимого объема. Затем добавляли 300 мкл ПСА и 60 мкл TEMED, тщательно перемешивали и заливали в прибор для полимеризации. Перед нанесением проб на гель проводили префорез при напряженности электрического поля 45 В/см в течение 1 ч.

По окончании электрофореза гель оставался на стекле, обработанным "кислым" силаном и его фиксировали в 10% уксусной кислоте в течение 20 мин. После фиксации гель отмывали 3 раза дистиллированной водой по 2 мин каждый раз. Затем проводили окраску раствором 1 для серебрения в течение 30 мин, промывали 20 сек дистиллированной водой и проявляли раствором 2 для серебрения в течение 1-5 мин (до появления окраски ДНК). Затем реакцию останавливали фиксацией в 10% уксусной кислоте в течение 5 мин и промывали водой. Результаты протоколировали с помощью сканера Mustek 1200SP.

11. Блот-гибридизация.

11.1. Перенос ДНК на нейлоновую мембрану.

После окончания электрофореза в случае геномной ДНК агарозный гель выдерживали в денатурирующем растворе 1.5 М NaCl - 0.5 М NaOH в течение 30 мин с периодическим покачиванием. Затем нейтрализовали в растворе 0.5 М Tris-HCl рН 8.0 - 1.5 М NaCl в течение 1 часа с постоянным покачиванием. В случае продуктов ПЦР предварительной обработки геля не проводили. После этого на ДНК-содержащую область геля накладывали нейлоновый фильтр Hybond N+ ("Amersham", UK), смоченный в20 SSC.

11.2. Перенос РНК на нитроцеллюлозную мембрану.

11.4. Гибридизация ДНК (РНК), иммобилизованной на мембране.

13. Переосаждение ДНК (РНК).

14. Анализ нуклеотидных последовательностей.

14.1. Поиск гомологии в банках данных.

Поиск нуклеотидных последовательностей, гомологичных выявленным фрагментам ДНК, проводили с помощью BLAST® (Basic Local Alignment Search Tool) - набора компьютерных программ поиска гомологий, разработанных для быстрого анализа всех доступных баз данных последовательностей, каковыми являются Genbank, EMBL, DDBJ и PDB.

Данный сервис доступен по веб-адресу http://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/. При использовании программ оставляли предложенные их разработчиками параметры поиска.

14.2. Критерии CpG-островков.

При анализе нуклеотидной последовательности на наличие CpG-островка использовалась компьютерная программа предсказания CpG-островков - WWWCPG program (http://125.itba.mi.cnr.it/cgi-bin/wwwcpg.pl). В данной программе использовались следующие критерии CpG-островков: длина более 200 п.н., GC состав > 0.5, показатель Н/Т > 0.6 (Gardiner-Garden and Frommer 1987). Наличие повторов в последовательности ДНК определяли с помощью компьютерной программы обнаружения повторов REPEAT (http://125.itba.mi.cnr.it/cgi-bin/wwwrepeat.pl).- 57Результаты исследования1. Поиск СрС-островков, гиперметилированных в опухолях шейки матки1.1. Принцип метода метилчувствительной ПЦР со статистическими ССбогатыми праймерами. Задачей нашего исследования было обнаружение Срв-островков, метилированных в опухолях шейки матки. Для ее решения мы использовали метод метилчувствительной ПЦР со статистическими вС-богатыми праймерами (СП-ПЦР) (Оопза^о е1 а1. 1997). Принцип метода заключается в следующем. ДНК из двух сравниваемых образцов (в нашем случае из опухолевой ткани и лейкоцитов или прилегающей к опухоли морфологически нормальной ткани, взятых от одного и того же пациента) обрабатывали мелкощепящей рестрикционной эндонуклеазой (рис. 5А), вА.

НОРМАДНКЯва!Ява! + МЧРОбработка Иза!Обработка МЧРПЦРПААГ-электрофорезБ.V- АДСССТСАСССТААСССОСа-З"#ОПУХОЛЬ/И^а! + МЧРУЯэа!3'-ГЮСГСТГААТСССАС7СССААо'Рисунок 5. Схематическое изображение метода метил-чувствительной ПЦР со статистическими ОС-богатыми праймерами. Кружком обозначен сайт МЧР: О - сайт не метилирован, ф - сайт метилирован. А. Схема эксперимента; V - статистический вС-богатый праймер. Б. Присоединение статистического праймера к СрО-богатому району ДНК. Вертикальными черточками обозначены Срй динуклеотиды. Стрелки указывают направление синтеза ДНК.сайте узнавания которой нет СрО динуклеотидов. Мы в своей работе использовали ферменты Кэа1 и Мэе1. Их применение позволяет получить Срв-островки в составе сравнительно небольших фрагментов геномной ДНК. Это повышает вероятность последующей амплификации СрО-островков, так как небольшие ОС-богатые фрагменты ДНК амплифицируются лучше, чем крупные. В тоже время большинство СрО-островков остаются после обработки такими рестриктазами неповрежденными. Затем обработанную ДНК снова подвергали рестрикции, но уже с использованием так называемых метилчувствительных рестриктаз (МЧР), отличительной чертой которых является два свойства. Во-первых, такие ферменты имеют в составе своих сайтов рестрикции один и более СрО динуклеотидов, поэтому СрО-островки содержат повышенное количество сайтов этих рестриктаз по сравнению с остальной ДНК. Во-вторых, МЧР работают в зависимости от статуса метилирования определенного СрО динуклеотида в сайте рестрикции. Так, они не способны рестрицировать свой сайт, если цитозин в составе этого СрО динуклеотида метилирован. Именно это свойство МЧР позволяет проводить дифференциальный анализ статуса метилирования СрО-островка. Таким образом, использование МЧР с одной стороны повышает вероятность обнаружения именно СрО-островка, а с другой определить его статус метилирования.

Далее все варианты обработанных рестриктазами ДНК из опухолевой и нормальной ткани амплифицировали с использованием статистических ОС-богатых праймеров. Эти праймеры представляют собой олигонуклеотиды, подобранные к среднестатистической последовательности ДНК, за исключением 3' конца, который состоит из 5-6 остатков цитозина и гуанина в различной комбинации (обычно расположенных случайным образом, но могут представлять собой и последовательность сайта какой-нибудь МЧР, например 8ас11 в праймере СП-2). Наличие такого 3' конца приводит к тому, что в неспецифических условиях (при достаточно низких температурах отжига) происходит предпочтительная гибридизация праймера с ОСбогатыми областями ДНК (рис. 5Б). Так достигают обогащения продуктов ПЦР фракцией О С-богатых последовательностей, включающей также и СрО-островки.

После амплификации ПЦР продукты разделяли в полиакриламидном геле в денатурирующих условиях. Для детекции продуктов мы использовали два метода. Первый является стандартным и подразумевает применениел Ямеченого нуклеотида при проведении ПЦР. Мы использовали а- Р-аАТР. В дальнейшем, после разделения, продукты выявляли, экспонируя гель с рентгеновской пленкой. Альтернативным методом идентификации является серебрение фрагментов ДНК непосредственно в полиакриламидном геле (реакция серебряного зеркала). Несмотря на более низкую чувствительность по сравнению с первым методом, он позволяет эффективно выявлять относительно длинные продукты реакции (300-1000 п.н.). На рисунке 6А. 443444 Ь. 443439 438Л О Л О Л О Л О Л ОМНМНМНМН МНМНМНКГНМНМ НРисунок 6. Сравнение двух методов визуализации продуктов ПЦР в ПААГе. А. Радиоавтограф [ 1ААГ с рад и оакти вн оме ченными продуктами ПЦР. Б. Серебрение фрагментов ДПК непосредственно в ПААГе. Стрелкой укачан фрагмент, взятый в дальнейшее исследование. Числа вверху рисунка обозначают номера образцов, где Л -ДПК из лейкоцитов, О - ДПК из опухоли шейки матки. Рестрикция образцов ДПК \1sel (М); Мве1Л 1раП/НЪа1 (Н).представлены результаты типичного опыта по сравнению двух способов визуализации продуктов ПЦР в полиакриламидном геле. Стрелкой указан один и тот же фрагмент, выявленный как серебрением, так и при помощи радиоактивной метки. Таким образом, метод серебрения позволял намнадежно идентифицировать фрагменты ДНК в диапазоне от 300 до 1000 н.п., что, согласно общепринятым критериям (Gardiner-Gardner and Frommer 1987), соответствует размерам CpG-островков. В случае продуктов короче 300 п.н. радиоизотопный метод более чувствителен, чем серебрение.

Основными преимуществами метода СП-ПЦР являются простота выполнения и относительная дешевизна. К главным недостаткам метода следует отнести тот факт, что он обнаруживает GC-богатые последовательности, не все из которых представляют собой CpG-островки. Причиной этому служат праймеры, которые не могут дифференцировать CpG-островки и амплифицируют все GC-богатые последовательности. Поэтому нами были внесены модификации, повышающие вероятность обнаружения CpG-островков. Известно, что скопление сайтов редкощепящих МЧР указывает на присутствие CpG-островка (Bird 1986). В связи с этим использование одновременно нескольких крупнощепящих ферментов метилчувствительной рестрикции повышает вероятность идентификации CpG-островка. Поэтому, наряду с обычно применяемыми мелкощепящими метилчувствительными эндонуклеазами (Hpall, Hhal) мы использовали крупнощепящие ферменты (Smal, Sacll, Narl). При этом недостатком использования МЧР является возможность неполного расщепления сайта рестрикции. Хотя для решения этой проблемы мы применяли двухэтапную обработку ДНК МЧР (см. раздел "Материалы и методы", п. 5), подтверждение статуса метилирования выявленных фрагментов требует дополнительных исследований.

Обычно при сравнительном анализе ДНК из опухолевых и нормальных клеток методом МЧ-ПЦР со статистическими GC-богатыми праймерами в геле присутствуют три типа продуктов ПНР (рис. 7).

Первый тип продуктов присутствует в ДНК, как нормальных тканей, так и опухолей независимо от того, обработана ли ДНК метилчувствительными ферментами или нет. В этом случае возможны два варианта. Либо амплифицируемые фрагменты ДНК не содержат сайтовметилчувствительных рестриктаз, или же эти сайты присутствуют, но метилированы во всех исследуемых ДНК. Такие продукты ПЦР встречаются наиболее часто. Второй тип продуктов присутствует в ДНК, необработанных метилчувствительными рестриктазами, и отсутствует в ДНК, обработанных ими, независимо от того из опухолей или нормальной ткани они выделены. Такое состояние объясняется тем, что в амплифицируемых последовательностях есть неметилированные сайты узнавания, которые расщепляются рестриктазами, и, следовательно, предотвращается появление продуктов ПЦР. Эти последовательности наиболее вероятные кандидаты на роль Срв-островков. Они встречаются гораздо реже продуктов первого типа. И, наконец, существует третий тип продуктов, отсутствующий в ДНК из нормальных клеток и присутствующий в ДНК из некоторых опухолей. Причем данное различие существует только для ДНК, обработанных метилчувствительными рестриктазами. В этом случае сайты узнавания в амплифицируемых последовательностях есть, но они метилированы в некоторых опухолях в отличие от нормальных тканей. Такие продукты ПЦР встречаются еще реже, но поскольку они имеют исключительное метилирование только в опухоли, эти фрагменты, в сущности, и являютсяпредметом поиска и дальнейших исследований.

 
 

Заключение диссертационного исследования на тему "Анализ метилирования ДНК при раке шейки матки"

С помощью метода метилчувствительной ПЦР со статистическими ОС-богатыми праймерами было выявлено семь ОС-богатых фрагментов ДНК, пять из которых (более двух третей) обладают свойствами СрО-островков. Из пяти выявленных СрО-островков два оказались непредставленными в опубликованных версиях генома человека.

С помощью компьютерного анализа установлено, что для СрО-островка 22 (ОепВапк АР218212) гомологичная последовательность в базах данных не представлена. СрО-островки 32 и 34 локализованы соответственно на 13 и X хромосомах, ассоциация с известными генами отсутствует. СрО-островок 36 имеет гомологию с 3.3-кЬ тандемным повтором, располагающимся в прителомерной области длинного плеча хромосом 4 и 10, и с кДНК гена 011X4, кодируемой одной копией этого повтора. СрО-островок 26 (ОепВапк АР247736) имеет частичную гомологию с кДНК гена уЗЗА-адаптина.

Экспериментально определена нуклеотидная последовательность 5' регуляторной зоны и граница 1 экзона гена /ЗЗА-адаптина (ОепВапк АР247736.2), и установлен размер (868 п.н.) и местоположение СрО-островка гена /ЗЗА-адаптина. СрО-островок гена включает 5' нетранскрибируемую область, первый экзон и 5' конец первого интрона. Методами гибридизации и ПЦР в сочетании с метилчувствительной рестрикцией и секвенирования обработанной бисульфитом натрия ДНК установлено, что СрО-островок гена /ЗЗА-адаптина не подвергается метилированию в плоскоклеточных карциномах шейки матки и в клеточных линиях рака шейки матки.

Впервые показано, что экспрессия гена /ЗЗА-адаптина снижена в клеточных линиях рака шейки матки и может быть активирована обработкой деметилирующим агентом 5-азацитидином, несмотря на отсутствие метилирования СрО-островка гена.

 
 

Список использованной литературы по медицине, диссертация 2003 года, Петренко, Анатолий Анатольевич

1. Ahluwalia A, Hurteau JA, Bigsby RM and Nephew KP. DNA methylation in ovarian cancer. 1.. Expression of DNA methyltransferases in ovarian cancer cell lines and normal ovarian epithelial cells.// Gynecol. Oncol., 2001, 82, pp. 299304.

2. Antequera F and Bird AP. Number of CpG islands and genes in human and mouse.// Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1993, 90, pp. 11995-11999.

3. Antequera F, Boyes J and Bird A. High levels of de novo methylation and altered chromatin structure at CpG islands in cell lines.// Cell, 1990, 62, pp. 503-514.

4. Bakin AV and Curran T. Role of DNA 5-methylcytosine transferase in cell transformation by fos.// Science, 1999, 283, pp. 387-390.

5. Barlow DP. Methylation and imprinting: from host defense to gene regulation?// Science, 1993, 260, pp. 309-310.

6. Baylin SB and Herman JG. DNA hypermethylation in tumorigenesis: epigenetics joins genetics.// Trends Genet., 2000, 16, pp. 168-174.

7. Baylin SB, Herman JG, Graff JR, Vertino PM and Issa JP. Alterations in DNA methylation: a fundamental aspect of neoplasia.// Adv. Cancer Res., 1998, 72, 141-196.

8. Baylin SB, Hoppener JW, de Bustros A, Steenbergh PH, Lips CJ and Nelkin BD. DNA methylation patterns of the calcitonin gene in human lung cancers and lymphomas.// Cancer Res., 1986, 46, pp. 2917-2922.

9. Bestor TH and Tycko B. Creation of genomic methylation patterns.// Nat. Genet., 1996, 12, pp. 363-367.

10. Bestor TH. Activation of mammalian DNA methyltransferase by cleavage of a Zn binding regulatory domain.// EMBO J., 1992, 11, pp. 2611-2517.

11. Bird AP, Taggart MH, Nicholls RD and Higgs DR. Non-methylated CpG-rich islands at the human a-globin locus: Implications for evolution of the a-globin pseudogene.// EMBO J., 1987, 6, pp. 999-1004.

12. Bird AP. CpG-rich islands and the function of DNA methylation.// Nature, 1986, 321, pp. 209-213.

13. Bird AP. DNA methylation patterns and epigenetic memory.// Genes & Dev., 2002, 16, pp. 6-21.

14. Bird AP. Gene number, noise reduction and biological complexity.// Trends Genet., 1995, 11, pp. 94-100.

15. Boehm M and Bonifacino JS. Adaptins the final recount.// Mol. Biol. Cell, 2001, 12, pp. 2907-2920.

16. Boehm M and Bonifacino JS. Genetic analyses of adaptin function from yeast to mammals.// Gene, 2002, 286, pp. 175-186.

17. Boggs BA, Cheung P, Heard E, Spector DL, Chinault AC and Allis CD. Differentially methylated forms of histone H3 show unique association patterns with inactive human X chromosomes.//Nat. Genet., 2002, 30, pp. 73-76.

18. Carotti D, Funiciello S, Palitti F and Strom R. Influence of pre-existing methylation on the de novo activity of eukaryotic DNA methyltransferase.// Biochemistry, 1998,37, pp. 1101-1108.

19. Clark SJ, Harrison J, Paul CL and Frommer M. High sensitivity mapping of methylated cytosines.//Nucl. Acids Res., 1994, 22, pp. 2290-2297.

20. Cote S, Sinnett D and Momparler RL. Demethylation by 5-aza-2'-deoxycytidine of specific 5-methylcytosine sites in the promoter region of the retinoic acid receptor beta gene in human colon carcinoma cells.// Anticancer Drugs, 1998, 9, pp. 743-759.

21. Cross SH, Charlton JA, Nan X and Bird AP. Purification of CpG islands using a methylated DNA binding column.// Nat. Genet., 1994, 6(3), pp. 236-244.

22. Dell'Angelica EC, Ooi CE and Bonifacino JS. (33A-adaptin, a subunit of the adaptor-like complex AP-3.// J. Biol. Chem., 1997, 272(24), pp. 15078-15084.

23. Eng C, Herman JG and Baylin SB. A bird's eye view of global methylation.// Nat. Genet., 2000, 24, pp. 101-102.

24. Esteller M, Catasus L, Matias-Guiu X, Mutter GL, Prat J, Baylin SB and Herman JG. hMLHl promoter hypermethylation is an early event in human endometrial tumorigenesis.// Am. J. Pathol., 1999, 155, pp. 1767-1772.

25. Esteller M, Corn PG, Urena JM, Gabrielson E, Baylin SB and Herman JG. Inactivation of glutathione S-transferase PI gene by promoter hypermethylation in human neoplasia.// Cancer Res., 1998, 58, pp. 4515-4518.

26. Esteller M, Hamilton SR, Burger PC, Baylin SB and Herman JG. Inactivation of the DNA repair gene 06-methylguanine-DNA methyltransferase by promoter hypermethylation is a common event in primary human neoplasia.// Cancer Res., 1999, 59, pp. 793-797.

27. Finnegan EJ, Peacock WJ and Dennis ES. DNA methylation, a key regulator of plant development and other processes.// Curr. Opin. Genet. Dev., 2000, 10, pp. 217-223.

28. Floyd S and De Camilli P. Endocytosis proteins and cancer: a potential link?// Trends Cell Biol., 1998, 8, pp. 299-301.

29. Gonzalgo ML, Liang G, Spruck CH, Zingg JM, Rideout WM and Jones PA. Identification and characterization of differentially methylated regions of genomic DNA by methylation-sensitive arbitrarily primed PCR.// Cancer Res., 1997, 57, pp. 594-599.

30. Gowher H, Leismann O and Jeltsch A. DNA of Drosophila melanogaster contains 5-methylcytosine.// EMBO J, 2000, 19, pp. 6918-6923.

31. Graff JR, Herman JG, Lapidus RG, Chopra H, Xu R, Jarrard DF, Isaacs WB, Pitha PM, Davidson NE and Baylin SB. E-cadherin expression is silenced by DNA hypermethylation in human breast and prostate carcinomas.// Cancer Res., 1995, 55, pp. 5195-5199.

32. Cui H, Horon IL, Ohlsson R, Hamilton SR and Feinberg AP. Loss of imprinting in normal tissue of colorectal cancer patients with microsatellite instability.// Nat. Med., 1998, 4, pp. 1276-1280.

33. Herman JG, Graff JR, Myohanen S, Nelkin BD and Baylin SB. Methylation-specific PCR: a novel PCR assay for methylation status of CpG islands.// Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1996, 93, pp.9821-9826.

34. Herman JG, Latif F, Weng Y, Lerman MI, Zbar B, Liu S, Samid D, Duan DS, Gnarra JR, Linehan WM and Baylin SB. Silencing of the VHL tumor-suppressor gene by DNA methylation in renal carcinoma.// Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1994, 91, pp. 9700-9704.

35. Herman JG. Hypermethylation of tumor suppressor genes in cancer.// Sem. Cancer Biol., 1999, 9, pp. 359-367.

36. Howell CY, Steptoes AL, Miller MW and Chaillet JR. cis-Acting signal for inheritance of imprinted DNA methylation patterns in the preimplantation mouse embryo.// Mol Cell Biol, 1998, 18, pp. 4149-4156.

37. Hsieh CL. Dynamics of DNA methylation pattern.// Curr. Opin. Genet. Dev., 2000, 10, pp. 224-228.

38. Hsieh CL. In vivo activity of murine de novo methyltransferases, Dnmt3a and Dnmat3b.//Mol. Cell. Biol., 1999, 19, pp. 8211-8218.

39. Hung MS, Karthikeyan N, Huang B, Koo HC, Kiger J, and Shen CJ. Drosophila proteins related to vertebrate DNA (5-cytosine) methyltransferases.// Proc. Natl. Acad. Sci., 1999, 96, pp. 11940-11945.

40. Iguchi-Ariga SM and Schaffner W. CpG methylation of the cAMP-responsive enhancer/promoter sequence TGACGTCA abolishes specific factor binding as well as transcriptional activation.// Genes Dev., 1989, 3, pp. 612-619.

41. Jaenisch R and Bird A. Epigenetic regulation of gene expression: how the genome integrates intrinsic and enviromental signals.// Nature Gen., 2003, 33, pp. 245-254.

42. Jones PA and Laird PW. Cancer epigenetics comes^of age.// Nature Genet., 1999, 21, pp. 163-167.

43. Kafri T, Ariel M, Brandeis M, Shemer R, Urven L, McCarrey J, Cedar H and Razin A. Developmental pattern of gene-specific DNA methylation in the mouse embryo and germ line.// Genes & Dev., 1992, 6, pp. 705-714.

44. Kiyono T, Foster SA, Koop JI, McDougall JK, Galloway DA and Klingelhutz AJ. Both Rb/pl6INK4a inactivation and telomerase activity are required to immortalize human epithlial cells.//Nature, 1998, 396, pp. 84-88.

45. Kohno T, Kawanishi M, Inazawa J and Yokota J. Identification of CpG islands hypermethylated in human lung cancer by the arbitrarily primed-PCR method.// Hum. Genet., 1998, 102, pp. 258-264.

46. Kondo Y and Issa JP. Enrichment for histone H3 lysine 9 methylation at Alu repeats in human cells.// J. Biol. Chem., 2003, in press.

47. Laird PW and Jaenisch R. DNA methylation and cancer.// Hum. Mol. Genet., 1994, Vol. 3, pp. 1487- 1495.

48. Hermjakob H, Hokamp K, Jang W, Johnson LS, Jones TA, Kasif S, Kaspryzk i A, Kennedy S, Kent WJ, Kitts P, Koonin EV, Korf I, Kulp D, Lancet D, Lowe

49. Li E, Bestor TH and Jaenisch R. Targeted mutation of the DNA methyltransferase gene results in embryonic lethality.// Cell, 1992, 69, pp. 915— 926.

50. Li Q, Ahuja N, Burger PC and Issa JP. Methylation and silencing of the Thrombospondin-1 promoter in human cancer.// Oncogene, 1999, 18, pp. 32843289.

51. Liang G, Robertson KD, Talmadge C, Sumegi J and Jones PA. The gene for a novel transmembrane protein containing epidermal growth factor and follistain domains is frequently hypermethylated in human tumor cells.// Cancer Res., 2000, 60, pp. 4907-4912.

52. Liang G, Salem CE, Yu MC, Nguyen HD, Gonzales FA, Nguyen TT, Nichols PW and Jones PA. DNA methylation differences associated with tumor tissues identified by genome scanning analysis.// Genomics, 1998, 53, pp. 260-268.

53. Lindsay S and Bird AP. Use of restriction enzymes to detect potential gene sequences in mammalian DNA.// Nature, 1987, 327, pp. 336-338.

54. Lisitsyn N, Lisitsyn N and Wigler M. Cloning the differences between two complex genomes.// Science, 1993, 259, pp. 946-951.

55. Liu Y, Oakeley EJ, Sun L and Jost JP. Multiple domains are involved in the targeting of the mouse DNA methyltransferase to the DNA replication foci.// Nucleic Acids Res., 1998, 26, pp. 1038-1045.

56. Lyko F, Ramsahoye BH and Jaenisch R. DNA methylation in Drosophila melanogaster.// Nature, 2000, 408, pp. 538-540.

57. MacLeod AR, Rouleau J and Szyf M. Regulation of DNA methylation by the Ras signaling pathway.// J. Biol. Chem., 1995, 270, pp. 11327-11337.

58. Macleod D, Charlton J, Mullins J and Bird AP. Spl sites in the mouse aprt gene promoter are required to prevent methylation of the CpG island.// Genes Devel., 1994, 8, pp. 2282-2292.

59. Mayer W, Niveleau A, Walter J, Fundele R and Haaf T. Demethylation of the zygotic paternal genome.// Nature, 2000, 403, pp. 501-502.

60. McKeon C, Ohkubo H, Pastan I and de Crombrugghe B. Unusual methylation pattern of the a 2(1) collagen gene.// Cell, 1982, 29, pp. 203-210.

61. Melvin AJ, McGurn ME, Bort SJ, Gibson C and Lewis DB. Hypomethylation of the interferon-gamma gene correlates with its expression by primary T-lineage cells.// Eur. J. Immunol., 1995, 25, pp. 426-430.

62. Mummaneni P, Walker KA, Bishop PL and Turker MS. Epigenetic gene inactivation induced by a cis-acting methylation center.// J. Biol. Chem., 1995, 270, pp. 788-792.

63. Noyer-Weidner M and Trautner TA. in "DNA Methylation: Molecular Biology and Biological Significance"// Jost JP and Saluz HP eds, Basel: Birkhauster Verlag, 1993, pp. 39-108.

64. Nuovo GJ, Plaia TW, Belinsky SA, Baylin SB and Herman JG. In situ detection of the hypermethylation-induced inactivation of the pl6 gene as an early event in oncogenesis.// Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1999, 96, pp. 12754-12759.

65. Ohtani-Fujita N, Fujita T, Aoike A, Osifchin NE, Robbins PD and Sakai T. CpG methylation inactivates the promoter activity of the human retinoblastoma tumor-suppressor gene.// Oncogene, 1993, 8, pp. 1063-1067.

66. Okano M, Bell DW, Haber DA and Li E. DNA methylationtransferases Dnmt3a and Dnmt3b are essential for de novo methylation and mammalian development.// Cell, 1999, 99, pp. 247-257.

67. Okano M, Xie S and Li E. Cloning and characterization of a family of novel mammalian DNA(cytosine-5)-methyltransferases.// Nat. Genet., 1998, 19, pp. 219-220.

68. Olek A, Oswald J and Walter J. A modified and improved method for bisulphite based cytosine methylation analysis.// Nucl. Acids Res., 1996, 24, pp. 5064-5066.

69. Peters AH, Mermoud JE, O'Carroll D, Pagani M, Schweizer D, Brockdorff N and Jenuwein T. Histone H3 lysine 9 methylation is an epigenetic imprint of facultative heterochromatin.//Nat. Genet., 2002, 30, pp. 77-80.

70. Pfeifer GP. p53 mutational spectra and the role of methylated CpG sequences.// Mutat. Res., 2000, 450, pp. 155-66.

71. Pogribny IP, Poirier LA and James SJ. Differential sensitivity to loss of cytosine methyl groups within the hepatic p53 gene of folate/methyl deficient rats.// Carcinogenesis, 1995, 16, pp. 2863-2867.

72. Pradhan S and Kim GD. The retinoblastoma gene product interacts with maintenance human DNA(cytosine-5)-methyltransferase and modulates it activity.// EMBO J., 2002, 21, pp. 779-788.

73. Rainier S and Feinberg AP. Capture and characterization of 5-aza-2'-deoxycytidine-treated C3H/10T1/2 cells prior to transformation.// Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1988, 85, pp. 6384-6388.

74. Rapoport I, Chen YC, Cupers P, Shoelson SE and Kirchhausen T. Dileucine-based sorting signals bind to the beta chain of AP-1 at a site distinct and regulated differently from the tyrosine-based motif-binding site.// EMBO J., 1998, 17, pp. 2148-2155.

75. Rhee I, Bachman KE, Park BH, Jair KW, Yen RW, Schuebel KE, Cui H, Feinberg AP, Lengauer C, Kinzier KW, Baylin SB and Vogelstein B. DNMT1and DNMT3b cooperate to silence genes in human cancer cells.// Nature, 2002, 416, pp. 552-556.

76. Riggs AD, Xiong Z, Wang L and LeBon JM. Methylation dynamics, epigenetic fidelity and X chromosome structure.// Novartis Found. Symp., 1998, 214, pp. 214-225.

77. Robinson MS and Bonifacino JS. Adaptor-related proteins.// Curr. Opin. Cell Biol, 2001, 13, pp. 444-453.

78. Sasaki H, Allen ND and Surani MA. in "DNA methylation: Molecular Biology and Biological Significance"// Jost JP and Saluz HP eds, Basel: Birkhauster Verlag, 1993, pp. 469-486.

79. Shin TH, Paterson AJ, Grant JH 3rd, Meluch AA and Kudlow JE. 5-Azacytidine treatment of HA-A melanoma cells induces Spl activity and concomitant transforming growth factor alpha expression.// Mol. Cell Biol., 1992, 12, pp. 3998-4006.

80. Simpson DJ, Hibberts NA, McNicol AM, Clayton RN and Farreli WE. Loss of pRb expression in pituitary adenomas is associated with methylation of the RBI CpG island.// Cancer Res., 2000, 60, pp. 1211-1216.

81. Takai D and Jones PA. Comprehensive analysis of CpG islands in human chromosomes 21 and 22.// Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2002, 99(6), pp. 37403745.

82. Toth M, Lichtenberg U and Doerfler W. Genomic sequencing reveals a 5-methylcytosine-free domain in active promoters and the spreading of preimposed methylation patterns.// Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1989, 86, pp. 3728-3732.

83. CACNA1G, a T-type calcium channel gene, by aberrant methylation of its 5' CpG island in human tumors.// Cancer Res., 1999, 59, pp. 4535-4541.

84. Turker MS, Mummaneni P and Bishop PL. Region and cell type-specific de novo DNA methylation in cultured mammalian cells.// Somat. Cell. Mol. Genet., 1991, 17, pp. 151-157.

85. Turker MS. The establishment and maintenance of DNA methylation patterns in mouse somatic cells.// Sem. Cancer Biol., 1999, 9, pp. 329-337.

86. Tweedie S, Ng HH, Barlow AL, Turner BM, Hendrich B and Bird AP. Vestiges of a DNA methylation system in Drosophila melanogaster.// Nat. Genet., 1999, 23, pp. 389-390.

87. Venter JC, Adams MD, Myers EW, Li PW, Mural RJ, Sutton GG, Smith HO, Yandell M, Evans CA, Holt RA, Gocayne JD, Amanatides P, Ballew RM,

88. C, Mays A, Dombroski M, Donnelly M, Ely D, Esparham S, Fosler C, Gire H,

89. Vertino PM, Yen RW, Gao J and Baylin SB. De novo methylation of CpG island sequences in human fibroblasts overexpressing DNA(cytosine-5)-methyltransferase.// Mol. Cell. Biol., 1996, 16, pp. 4555-4565.

90. Vieira AV, Lamaze C and Schmid SL. Control of EGF receptor signaling by clathrin-mediated endocytosis.// Science, 1996, 274, pp. 2086-2089.

91. Warnecke PM, Mann JR, Frommer M and Clark SJ. Bisulfite sequencing in preimplantation embryos: DNA methylation profile of the upstream region of the mouse imprinted HI9 gene.// Genomics, 1998, 51, pp. 182-190.

92. Wigler M, Levy D and Perucho M. The somatic replication of DNA methylation.// Cell, 1981, 24, pp. 33-40.

93. Wolf P, Hu YC, Doffek K, Sidransky D and Ahrendt SA. 06-Methylguanine-DNA methyltransferase promoter hypermethylation shifts the p53 mutational spectrum in non-small cell lung cancer.// Cancer Res., 2001, 61, pp. 81138117.

94. Wong DJ, Foster SA, Galloway DA and Reid BJ. Progressive region-specific de novo methylation of the pi6 CpG island in primary human mammary epithelial cell strains during escape from M(0) growth arrest.// Mol. Cell Biol., 1999, 19, pp. 5642-5651.

95. Yoder JA, Soman NS, Verdine GL and Bestor TH. DNA(cytosine-5)-methyltransferases in mouse cells and tissues. Studies with a mechanism-based probe.// J. Mol. Biol., 1997, 270, pp. 385-395.

96. Домнинский ДА, Прокунина JIB, Козырев CB, Будилов АВ, Полтараус АБ, Забаровский ЕР и Захарьев ВМ. Построение крупномасштабной физической карты генома человека. Характеристика Notl-клонов с короткой геномной вставкой.//Мол. Биол., 1999, 33, с. 533-541.

97. Клонирование ДНК. Методы.// под ред. Гловера Д. М.: Мир, 1988, стр. 140-175.

98. Лихтенштейн АВ и Киселева НП. Метилирование ДНК и канцерогенез.// Биохимия, 2001, 66, с. 235-255.

99. Маниатис Т, Фрич Э, Сэмбрук Дж. Методы генетической инженерии. Молекулярное клонирование. М.: Мир, 1984,- 480 с.

100. Ровенский ЮА. Клеточные и молекулярные механизмы опухолевой инвазии.//Биохимия, 1998, 63, с. 1204-1221.