Wat is DNA-methylering? — Biologie

Definitie 1.8 Universitaire biologie — jaar 3 · Hoofdstuk 1 — Chromatine en epigenetica

Bij gewervelden wordt vrijwel alleen in het dinucleotide CpG (een C gevolgd door een G op dezelfde streng) een methylgroep aan koolstof 5 van cytosine gehangen, een sequentie die haar eigen complement is, zodat een gemethyleerd CpG normaal op beide strengen gemethyleerd is. Zo’n $70\text{ tot }80\,\%$ van de CpG’s van een menselijke cel is gemethyleerd, en gemethyleerde promotoren zwijgen: de methylgroepen worden gelezen door methyl-CpG-bindende eiwitten (MeCP2, MBD1–4) die HDAC’s en H3K9-methylasen aantrekken, en zij blokkeren verscheidene transcriptiefactoren rechtstreeks. De uitzonderingen zijn de CpG-eilanden, stukken van ongeveer een kilobase, rijk aan G en C en aan CpG, die bij de promotoren van de meeste huishoudgenen liggen en in normale cellen ongemethyleerd blijven. De methylgroep wordt geschreven door DNA-methyltransferasen: DNMT3A en DNMT3B verzorgen de de-novomethylering van ongemethyleerde plaatsen, en DNMT1, dat een hemigemethyleerd CpG verkiest — de ene streng gemethyleerd, de andere niet — verzorgt de onderhoudsmethylering achter de replicatievork. Verwijdering is passief, door replicatie zonder onderhoud, of actief, door de TET-enzymen, die 5-methylcytosine oxideren tot 5-hydroxymethylcytosine en verder, tot base-excisieherstel het door een gewoon cytosine vervangt.

Links: onderhoudsmethylering. Na replicatie is elk CpG hemigemethyleerd; DNMT1 kopieert het merkteken met kans per plaats naar de nieuwe streng. Rechts: het lot van een plaats over de delingen voor = 0.99, = 0.02 (blauw vanuit gemethyleerd, rood vanuit ongemethyleerd) — beide convergeren naar p* = 0.67 — en voor een plaats waarvan de terugkoppeling in de omgeving tot 0.999 verhoogt (groen). — Links: onderhoudsmethylering. Na replicatie is elk CpG hemigemethyleerd; DNMT1 kopieert het merkteken met kans $\mu$ per plaats naar de nieuwe streng. Rechts: het lot van een plaats over de delingen voor $\mu = 0.99$ , $\delta = 0.02$ (blauw vanuit gemethyleerd, rood vanuit ongemethyleerd) — beide convergeren naar $p^{*} = 0.67$ — en voor een plaats waarvan de terugkoppeling in de omgeving $\mu$ tot $0.999$ verhoogt (groen).

Voorbeelden

Voorbeeld 1.9 (Waarom het genoom arm is aan CpG)

Het menselijk genoom is voor $42\,\%$ G $+$ C, dus als de basen onafhankelijk waren zou een CpG voorkomen met frequentie $0.21\times 0.21 \approx 0.044$ , ongeveer $2.8\times 10^{8}$ keer in het diploïde genoom. Het waargenomen aantal is ongeveer $5.6\times 10^{7}$ , een vijfde daarvan. De oorzaak is het merkteken zelf: een gemethyleerd cytosine dat zijn aminogroep verliest wordt thymine, een normale base die het herstel niet als fout kan herkennen, terwijl een ongemethyleerd cytosine tot uracil deamineert, dat wordt uitgesneden. In de loop van de evolutie zijn gemethyleerde CpG’s tot TpG en CpA gemuteerd, en alleen de ongemethyleerde eilanden hebben hun CpG’s behouden. Het merkteken heeft zijn handtekening in de sequentie achtergelaten.

Voorbeeld 1.11 (Getallen)

Gemeten waarden voor zoogdiercellen zijn $\mu \approx 0.99$ en $\delta \approx 0.02$ per deling op een gewoon CpG. Dan is $p^{*} = 0.02/0.03 \approx 0.67$ , dicht bij de genoombrede gemethyleerde fractie, en $\mu - \delta = 0.97$ : een volledig gemethyleerde plaats die alleen aan de machinerie wordt overgelaten zou na $\ln 2 / 0.03 \approx 23$ delingen halverwege terug zijn naar het gemiddelde. Een uitgeschakelde promotor die de honderden delingen van een leven lang blijft zwijgen heeft daarom meer nodig dan DNMT1: de methyl-CpG-lezers trekken H3K9-methylering aan en de H3K9-lezers trekken DNMT3 aan, zodat een dicht eiland van merktekens zijn eigen $\mu$ naar $1$ opdrijft en de naburige $\delta$ naar $0$ verlaagt. Omgekeerd verliest een cel die DNMT1 kwijtraakt het merkteken passief: met $\mu = \delta = 0$ halveert de fractie gemethyleerde strengen bij elke deling.

Lees in het hoofdstuk →