Naukowcy odkryli, że modyfikacja DNA zwana 5-formylcytozyną (5fC) działa jako aktywujący przełącznik epigenetyczny, który uruchamia geny we wczesnym rozwoju embrionalnym. Odkrycie to po raz pierwszy pokazuje, że kręgowce mają więcej niż jeden typ epigenetycznego znaku DNA i rzuca nowe światło na to, jak geny są regulowane na najwcześniejszych etapach rozwoju.
Wyniki opublikowano w czasopiśmie Komórka.
5fC to dopiero druga potwierdzona epigenetyczna modyfikacja DNA obok metylocytozyny
Nasze ciała składają się z bilionów komórek, które współpracują ze sobą, aby utworzyć funkcjonalny organizm. Jednak każdy z nas zaczynał jako pojedyncza zapłodniona komórka jajowa. Aby stać się całym człowiekiem, ta pojedyncza komórka musi się szybko rozmnażać, tworząc wszystkie właściwe organy we właściwych miejscach. Ten proces rozwoju zależy od tysięcy genów aktywowanych dokładnie we właściwym czasie i miejscu. Aktywacja/dezaktywacja genów jest kontrolowana przez tak zwane modyfikacje epigenetyczne, tj. grupy chemiczne przyłączone do DNA i jego powiązanych białek, które działają jak światła drogowe, aby włączać lub wyłączać geny.
Przez dziesięciolecia naukowcy uważali, że kręgowce mają tylko jeden rodzaj modyfikacji epigenetycznej w DNA zwany metylacją cytozyny, która jest związana z wyciszaniem genów. Dziesięć lat temu odkryto trzy kolejne modyfikacje chemiczne w DNA kręgowców, ale ponieważ były obecne tylko w bardzo małych ilościach, naukowcy nie byli pewni, czy były to funkcjonalne znaki epigenetyczne.
Teraz profesor Christof Niehrs i jego zespół po raz pierwszy wykazali, że jedna z tych modyfikacji, 5-formylocytozyna, bierze udział w aktywacji genów we wczesnym rozwoju. Odkrycie jest znaczące, ponieważ dowodzi, że kręgowce mają więcej niż jeden typ epigenetycznego znaku DNA i odkrywa nowy, wcześniej nieznany mechanizm epigenetycznej regulacji genów. „Te odkrycia są prawdziwym przełomem w epigenetyce, ponieważ 5fC jest dopiero drugą sprawdzoną epigenetyczną modyfikacją DNA obok metylocytozyny” — powiedział Niehrs, założyciel i dyrektor naukowy IMB, który został otwarty na terenie kampusu Uniwersytetu Johannesa Gutenberga w Moguncji (JGU) w 2011 roku.
W swoim badaniu naukowcy przyjrzeli się 5fC w zarodkach żab. Za pomocą mikroskopii i chromatografii odkryli, że 5fC gwałtownie wzrasta na samym początku rozwoju podczas kluczowego etapu zwanego aktywacją zygotyczną, gdy wiele genów zostaje włączonych. Jak wyjaśniła Eleftheria Parasyraki, pierwsza autorka badania: „Obserwacja 5fC w mikroskopijnie widocznych małych kropkach, czyli chromocentrach, była ekscytująca. Na ich podstawie podejrzewaliśmy, że 5fC musi robić coś ważnego na wczesnym etapie rozwoju embrionalnego”.
Aby udowodnić, że 5fC jest aktywującym znakiem epigenetycznym, naukowcy genetycznie manipulowali enzymami w zarodku, aby zwiększyć lub zmniejszyć ilość 5fC w DNA. Zwiększenie 5fC spowodowało zwiększoną ekspresję genów, podczas gdy zmniejszenie 5fC zmniejszyło ekspresję genów, co wskazuje, że to rzeczywiście obecność 5fC w DNA aktywuje geny. Na koniec naukowcy zaobserwowali również chromocentra 5fC w zarodkach myszy podczas aktywacji genu zygotycznego. Sugerowało to, że 5fC prawdopodobnie działa jako aktywujący znak epigenetyczny zarówno u ssaków, jak i u żab.
Odkrycie, że 5fC jest aktywującym regulatorem epigenetycznym DNA, rodzi wiele pytań dotyczących tego, jak dokładnie działa i jaka jest jego rola poza wczesną aktywacją genomu zygotycznego. W szczególności komórki nowotworowe mogą mieć bardzo wysokie ilości 5fC. Potrzebne będą dodatkowe badania nad 5fC, aby odpowiedzieć na te pytania, co ostatecznie może pomóc nam lepiej zrozumieć, jak się rozwijamy i jak regulacja genów jest zaburzona w chorobie.
