Постреплікативна модифікація ДНК (самостійно)

Після реплікації молекули ДНК зазнають специфічної постреплікативної модифікації, яка є необхідною умовою функціонування їх у клітинах.

Одним з важливих механізмів постреплікативної модифікації ДНК є метилювання азотистих основ нуклеотидів. Цей процес відбувається відразу по закінченню реплікації, або через певний проміжок часу після її завершення, за участю ферментів метилаз, які функціонують в ядрі та мітохондріях. Кофактором цих ферментів є S-аденозилметіонін. Метилюються не всі азотисті основи нуклеотидів, а переважно залишки цитозину (близько 5%).

Метильовані залишки розміщені на структурі ДНК нерівномірно, а локалізовані лише на окремих локусах (промоуторних ділянках та в центромерному гетерохроматині еукаріот, а також на спейсерних послідовностях у прокаріот). Відомо, що в комплементарних парах азотистих основ нуклеотидів зв’язок між АТ-парами міцніший, ніж між АУ: додаткова метильна група тиміну посилює гідрофобні властивості азотистої основи і, разом з наявністю дезоксирибози, сприяє формуванню дволанцюгової молекули ДНК. Метилювання цитозину в С₅-положенні піримідинового циклу виявляє подібний ефект: стабілізує і зміцнює зв’язки між ГЦ-парами та з’єднує ланцюги ДНК на певних локусах. Під час старіння клітин знижується як активність метилаз, так і кількість 5-метилцитозину на структурі ДНК, що, очевидно, є одним з проявів старіння клітин на рівні геному.

Разом із цим, у пухлинних клітинах активність ДНК-метилаз підвищується, внаслідок чого зростає вміст 5-метилцитозину. Цей ефект спостерігається в імморталізованих клітинах як in vivo, так і in vitro. Поновлення рівня 5-метилцитозину є необхідною, однак не єдиною причиною пухлинного росту.

Метилювання цитозину, очевидно, забезпечує регуляцію активності генів, оскільки існує позитивна кореляція між функціональною активністю клітин і вмістом 5-метилцитозину. Непрямим доказом цього є також те, що інтенсивно метилюються переважно промоуторні ділянки генів, яким належить важлива роль у регуляції транскрипції та синтезі генних продуктів. Ще одним важливим наслідком метилювання ДНК є те, що посилення цього процесу на центромерних ділянках запобігає передчасній їх реплікації, яка повинна проходити не в S-фазі, а перед розходженням хроматид – в анафазі.

На відміну від клітин еукаріот, роль метилювання азотистих основ ДНК у прокаріот була з’ясована значно пізніше. Виявилося, що бактеріальні ДНК-метилази, переважно, входять до складу системи модифікації і рестрикції. Крім ДНК-метилаз ця система включає і ендонуклеази (рестриктази), здатні вирізати певні послідовності нуклеотидів.

Метилювання сайтів на структурі ДНК запобігає дії на неї ферментів рестриктаз з тією ж сайт-специфічністю. У зв’язку з цим, метильована молекула ДНК бактеріальних клітин не руйнується рестриктазами, на відміну від чужерідної ДНК, яка проникає у клітину. В цьому випадку система рестрикції і модифікації захищає бактеріальні клітини від вірусів та бактеріофагів.

У клітинах про- і еукаріот присутній також інший вид метилювання, пов’язаний з репарацією помилок реплікації. Роль акцептора метильної групи, в цьому випадку, на структурі ДНК бактерій виконує аденін, а в еукаріотичних клітинах – гуанін. Метильовані азотисті основи нуклеотидів (6-N-метиладенін і 6-О-метилгуанін) є специфічними мітками на батьківському ланцюгу ДНК, які пізнають системи репарації та забезпечують корегуванню помилок реплікації.