Hastalıklarda DNA Metilasyonunun Rolü

DNA metilasyonu, insanlarda keşfedilen en eski epigenetik modifikasyonlardan biridir. Metil (CH₃) gruplarının 5-metilsitozin (5mC) üretmek için deoksiribonükleik asit (DNA) içeren sitozin bazlarının C5 pozisyonuna transferini içerir. Reaksiyon, DNA metiltransferazlar (DNMT’ler) adı verilen bir enzim ailesi tarafından katalize edilir. Tipik olarak, değiştirilmiş sitozin (C) bazları, guanin (G) bazlarının hemen bitişiğinde bulunur. Bu, komplementer (tamamlayıcı) DNA zincirleri üzerinde birbirine çapraz olarak oturan iki 5mC bazına yol açar.

DNMT’lerin birkaç farklı rolü vardır, örneğin  de novo olarak işlev görebilirler. Bir DNA molekülü üzerinde metil gruplarının oluşturulmasını içeren DNMT’ler ve de bu DNA zinzirinden yeni bir DNA zinciri (komplementer) yapılırken onun uygun bölgelerin metil grubu eklerler.

1980’lerde yapılan birkaç çalışma, DNA metilasyonunun hem gen düzenlemesinde hem de hücre farklılaşmasında önemli bir rol oynadığını ortaya koydu. O zamandan beri, daha fazla araştırma, çeşitli hastalıkların gelişiminde ve ilerlemesinde anormal metilasyonun rolünü doğruladı. DNA metilasyonu, bir genin doğru organ veya hücre tipinde doğru ifadesine izin veren spesifik doku ifadesinin ana kontrolörlerinden biridir. DNA metilasyonu, genomumuzu kararlı kılmak ve tekrarlayan kromozomal bölgeleri susturmak için bir tampon görevi görür. Birçok hastalık, hücresel aktiviteyi bozan DNA metilasyonunda bir değişiklik gösteriyor. İnsan kanserinde DNA metilasyonundaki değişiklikler, histon modifikasyonları ve kromatin üzerine odaklanmaktadır.

Memelilerde, metilasyon çoğunlukla seyrektir, ancak büyük ölçekli olarak olarak spesifik CpG veya CG (sitozin-guanin) dizilerinde dağılım gösterir. Genomun belirli bölgelerinde CpG bol miktarda bulunur (örn., CpG adaları). Sağlıklı hücrelerde, gen promotorları ile ilişkili CpG adacıkları tipik olarak metilasyon içermez, oysa kodlanan gen bölgesi içinde bulunan adalar gelişim sırasında metillenme eğilimindedir. Promotor bölgelerdeki CpG adacıklarının metilasyonunu, spesifik genlerin uygun olmayan şekilde düşük regülasyonuna (örn., kanser hücrelerinde tümör baskılayıcı genlerin susturulmasına) neden olabilmektedir. 

Normal biyolojik süreçlerde DNA metilasyonunun rolü 

DNA metilasyonunun rolü ve konumu , organizmaların farklı krallıklarına göre değişir. Yukarıda bahsedildiği gibi, memeliler oldukça evrensel bir CpG metilasyon dağılımına sahip olma eğilimindeyken, omurgasız hayvanlar tipik olarak “mozaik” bir metilasyon modeli gösterir. DNA metilasyonu, birçok biyolojik süreçte (örn., genomik damgalama, kök hücre farklılaşması ve kromozomal stabilite gibi) önemli bir rol oynar ve hücre büyümesini ve çoğalmasını düzenleyen temel bir modifikasyon olarak kabul edilir . DNA metilasyon kalıpları değişken ve kalıtsaldır ve ebeveyn alelinde anormal DNA metilasyonu olması durumunda kanser, yaşlanma bozuklukları, metabolik rahatsızlıklar, psikolojik bozukluklar ve genetik hastalıklar gibi çeşitli ciddi hastalıklar ortaya çıkabilir.

DNA metilasyonu ve hastalık

Bilim adamları ilk olarak genomik damgalama üzerinde çalışırken DNA metilasyonunun insan hastalıklarındaki rolünü keşfettiler. Genomik damgalama, klasik Mendel süreçlerinden bağımsız olarak meydana gelen, kararlı ve kalıtsal bir olgudur. Altta yatan DNA dizisini değiştirmeden genin farklı ifadesi ile sonuçlanan ebeveyn kökenine dayalı olarak bir genin epigenetik işaretlemesini (örn., metilasyon) içerir.

Anormal DNA metilasyonunun neden olduğu bazı hastalıklar:

Otoimmün hastalıklar

Romatoid artrit (RA), eklemleri vuran kronik otoimmün enflamatuar bir hastalıktır. Bilim adamları, periferik kan mononükleer hücrelerinin genom düzeyinde DNA metilasyon analizini gerçekleştirmiş ve insan lökosit antijeni (HLA) sınıf II’nin (diğer bir adı ile majör doku uyumluluk kompleksiII, MHC II) değiştirilmiş DNA metilasyonunu keşfetmişlerdir. Bu anormal DNA metilasyonu, RA geliştirmenin genetik riskini kolaylaştırabilir.

Sistemik lupus eritematozus (SLE), vücudun bağışıklık sisteminin yanlışlıkla kendi sağlıklı dokusuna saldırdığı bir otoimmün hastalıktır. DNA metilasyonunun genom çapında bir değerlendirmesi, SLE hastalarının genlerinde otoantikor üretimi ile ilişkili farklı DNA metilasyonunu göstermiş ve IL-6 geninin promotor bölgesinde anormal DNA metilasyonu gözlenmiştir.

Metabolik bozukluklar         

Bilim adamları ayrıca hiperglisemi (yüksek şeker) ve hiperlipidemi (yüksek yağ) gibi durumları, anormal gen ekspresyonuna (ifadesine) yol açan farklı DNA metilasyonu ile ilişkilendirmişlerdir. Sikline bağımlı kinaz inhibitörü 1A ve fosfodiesteraz 7B promotorlarının azaltılmış metilasyonu, insanlarda düzensiz glukoz (kan şekeri) ile uyarılan insülin salgısını ortaya çıkarmıştır. DNA metilasyonu, yağ dokusunda ve kan hücrelerinde hipoksi ile indüklenebilir faktör 3 alfa’nın artan DNA metilasyonunun vücut kitle indeksinde (BMI) bir artışa neden olduğu obezite ile de bağlantılıdır.

Kanser

Metilasyon, birçok kanser türündeki en erken değişikliklerden biridir ve hücresiz (hücrenin içimde olmayan) DNA’daki metilasyon durumunun saptanması, invaziv olmayan erken kanser tespiti için umut verici bir yoldur. Son zamanlarda, omik (genomik, proteomik, transkriptomik ve metabolomik) çalışmaları, anormal DNA metilasyonunun hepatoselüler karsinom, meme kanseri, glioblastoma, skuamöz hücreli akciğer kanseri, lösemi ve tiroid karsinomu ile bağlantılı olduğunu doğrulayarak bu bulguları destekleyen kanıtlar sağlamıştır. DNMT’lerin farklı ifade seviyeleri ve DNMT’lerdeki mutasyonlar, her ikisi de metilasyon mekanizmalarını etkileyen kanser hastalarında yaygın olarak bulunur. Araştırmalar, epigenetik düzensizliğin tümör gelişimi ve metastazında çok önemli bir rol oynadığını göstermiştir.

Kanserde, genomun genel bir evrensel DNA hipometilasyonunu ve genellikle promotorda bulunan CpG açısından zengin dizileri (CpG adaları) etkileyen daha fokal (odak) DNA hipermetilasyonunu gözlenir. Van Andel Enstitüsü. Kanserdeki DNA hipermetilasyon olaylarının çoğu önemsizdir. Çünkü genler büyük oranda biriktirdikleri mutasyonlardan dolayı zaten sessizdir. Ancak, anti-proliferatif faktörleri kodlayan genlerin, DNA onarım genlerinin veya normal hücre farklılaşması için gerekli olan genlerin susturulmasına sbep olan bazı metilasyon olayları, tümör sürücüleri (tumor veya cancer drivers) olarak kabul edilebilir.

Metilasyon kalıpları çok heterojendir. Bir kanser türünden diğerine ve ayrıca bir hücre türünden başka bir hücre tipine farklılık gösterebilirler. Bu modifikasyonların rolünü ve farklı kanser türlerindeki etkilerini anlamak, potansiyel tedavileri ve tedavileri hedeflemek için önemlidir. Kansere özgü DNA metilasyon belirteçlerinin (bir veya daha fazla kanser türü veya alt tipinde spesifik olarak metillenmiş veya metillenmemiş genom bölgeleri) belirlenmesi, terapötik stratejiler geliştirmek amacıyla kanseri saptamak ve izlemek için kullanılabilir.

Gliomalar beyindeki nöronları (sinir hücrelerini) destekleyen glial hücrelerden kaynaklanan yaygın bir beyin kanseri türüdür. Son zamanlarda araştırmacılar, gliomalı hastalardan elde edilen bireysel tümör hücreleri içindeki metilasyon işaretlerini tanımlamak için tek hücreli multiomik bir yaklaşım kullanıkmaktadır. Hücreleri bir durumdan diğerine kaydırmaktan sorumlu farklı DNA metilasyon modelleri (örn., kök hücre benzeri durumlardan olgun durumlara) doğrulanabilir ve örneklenen tümörlerden hücre durumlarının bir haritası geliştirilebilir.

nörolojik bozukluklar   

Bozuk DNA metilasyonu nörolojik bozukluklarla da ilişkilidir. Metil-CpG bağlayıcı protein 2 genindeki mutasyon, Rett sendromu ve otizm spektrum bozukluğu olan hastalarda bulunmuştur. DNA metilasyon profilindeki değişikliklerin, sinaptik aktivite ile ilişkili genlerde değiştirilmiş ifadeye sbep oldukları bulunmuştur. Şizofreni hastalarında periferik kanda katekol-O-metil transferazın düşük metilasyon seviyesi gözlenmiştir. Epigenom çapında bir ilişki çalışması , Huntington hastalığının olup olmadığını belirlemek için üç farklı memeli türünden dokuların metilasyon modellerini karşılaştırmış ve değişmiş DNA metilasyonunun buna eşlik ettiği bulunmuştur. Alzheimer hastalığında DNA metilasyonunun sistemik bir incelemesi, amiloid plaklarının oluşumuyla ilişkilendirilen amiloid öncü proteini adı verilen bir proteini kodlayan APP geninin beyinde ve periferik kanda sürekli olarak hipermetile olduğunu göstermiştir.

DNA metilasyonu ve klinik faydaları

Anormal DNA metilasyonu birçok hastalıkla ilişkilidir ve DNA metilasyonuna dayalı biyobelirteçler hastalık prognozunu (takip, seyir) ve tedavi yanıtını iyileştirmeye yardımcı olabilir. DNA metilasyon alanındaki klinik ilgi alanlarından biri, kanser teşhisi için değiştirilmiş DNA metilasyon modellerinden yararlanmaktır. Bu değişiklikler, hastaların kan örneklerinden elde edilen “sıvı biyopsilerde” tespit edilebilir. Sonuç olarak, hücresiz plazma DNA’sındaki değişen metilasyon profillerine dayalı olarak kanserin erken teşhisi mümkün olabilir. İyi huylu veya kanser öncüsü bir lezyonda bulunan bir metilasyon değişikliğinin, kötü huylu bir duruma ilerlemeyi teşvik etme potansiyeline sahip olup olmadığını bilmek önemlidir.

Tümör hücrelerinin DNA metilasyon profili bilgisinden onkoloji alanında kliniğe gelen üç şey: biyolojik sıvılarda bile tespit edilebilen ve patolojik sınıflandırmaya izin veren hastalığın yeni biyobelirteçlerinin keşfi; belirli genlerdeki DNA hipermetilasyon olaylarının terapilere yanıtın öngörücüleri olarak kullanılması; hematolojik malignitelerin tedavisinde kullanılan DNA metilasyonunun inhibitörleri gibi epigenetik ilaçlar için bir hedef olarak DNA metilasyonunun kullanılması.