ВОЗНИКНОВЕНИЕ ПАТОЛОГИЙ, СВЯЗАННЫХ С НАРУШЕНИЕМ РЕАКЦИЙ МЕТИЛИРОВАНИЯ В МЕТАБОЛИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ (ОБЗОР)

АННОТАЦИЯ

Реакция метилирования - присоединение метильной группы (-CH₃) к субстрату или замена определенного атома или группы на метильную группу, является одной из основных реакций метаболизма в организме человека. Несмотря на простоту протекания этой реакции, она имеет важное значение для ряда биохимических процессов синтеза многих активных веществ, влияющих на общий обмен в организме. Нарушения протекания этой реакции может привести к нежелательным патологиям, которые отразятся на жизнедеятельность организма в целом.

ABSTRACT

The methylation reaction - the addition of a methyl group (-CH3) to a substrate or the replacement of a certain atom or group with a methyl group, is one of the main metabolic reactions in the human body. Despite the simplicity of this reaction, it is important for a number of biochemical processes of synthesis of many active substances that affect the overall metabolism in the body. Violations of the course of this reaction can lead to undesirable pathologies that will affect the vital activity of the body as a whole.

Ключевые слова: метилирование, белок, ферменты, гены, патологии.

Keywords: methylation, protein, enzymes, genes, pathologies

Цель статьи – на основании научных литературных источников продемонстрировать значение реакции метилирования в биохимических процессах синтеза необходимых для организма активных веществ и показать, что при нарушении протекания реакции метилирования могут возникнуть серьезные патологии, которые негативно сказываются на жизнедеятельности организма человека.

Задача настоящего обзора состоит в определении поиска перспективных лекарственных средств, способных нивелировать возникновение патологий, связанных с нарушением протекания реакции метилирования, а также, показать значение эпигенетики и ее влияния на генетический код на фоне метилирования ДНК.

Процесс метилирования необходим не только для синтеза важнейших соединений, например, пуринов, полиаминов, фосфолипидов, креатина, мелатонина, серотонина, миелина и др., но и служат широко распространённым регуляторным механизмом, определяющим функции белков, фосфолипидов и ДНК. Реакция метилирования, осуществляется с помощью транспортной формы метильной группы соединения SAM – S-аденозин метионин, который является донором метильных групп [4]. Это производное пуриновых нуклеотидов, образуется преимущественно в печени, и является активной формой метионина. Метионин -  алифатическая серосодержащая α-аминокислота, входит в число незаменимых аминокислот. Присоединение метильной группы к S-аденозину происходит с помощью фермента метилтрансферазы. Для нормального протекания этой реакции необходимы эссенциальные компоненты, такие как, витамины (фолаты (В9), кобаламин (В12), пиридоксин (В6), рибофлавин (В2), токоферолы (витамин Е), ретиноиды (витамин А), микроэлементы, аминокислоты и нуклеотиды (пуриновые, т.к. SAM – их производное). Поэтому достаточное их поступление за счет рационального питания будет являться одним из положительных факторов, регулирующих процессы метилирования в организме. Такими продуктами повседневного рациона богатыми необходимыми микронутриентами являются бобовые, спаржа, яйца, листовые салаты, брокколи, говяжья печень и орехи (витамин В9), В12 и В2 содержаться в продуктах животного происхождения: мясо, субпродукты, рыба и молочные продукты. В6 содержится в орехах, шпинате, многих овощах и фруктах. Известно, что витамины группы В могут не только поступать с пищей, но и синтезироваться микрофлорой кишечника, а также баланс микрофлоры влияют на процессы метилирования. Витамины Е и А, в отличие от витаминов группы В, могут поступать в наш организм только с пищей, особенно ими богаты орехи, овощи и фрукты (шпинат, морковь, авокадо) и жирная морская рыба.

Конечным продуктом метаболизма SAM является гомоцистеин, различное содержание которого в крови может рассматриваться как маркер возможных заболеваний, например, нейродегенеративных, атеросклероза и др. Гомоцистеин – промежуточный продукт трансметилирования. В норме его концентрация невелика, т.к. в клетке он либо реметилируется в метионин, либо необратимо метаболизируется в цистеин, гомосерин и др. Гомоцистеин в больших количествах является токсическими для организма веществом и влияет на многие процессы метилирования как ингибитор. Важной особенностью его обмена, является реакция S-аденозилгомоцистеин гидроксилазы, равновесие которой смещено в сторону образования S-аденозилгомоцистеина (SAГ), который является мощным ингибитором практически всех метилтрансфераз в клетке (исключение составляет лишь глицинметилтрансфераза). Таким образом, стимулируется процесс метилирования и полноценный метаболический путь метионина, а это зависит от полноценного питания и потребления необходимого количества витаминов, микроэлементов, аминокислот. Ингибирует процессы метилирования SAГ и гомоцистеин, действуя на определённые ферменты, которые накапливаются в клетках при недостатке витаминов. Так, пищевая недостаточность фолата (витамина В9) и кобаламина (В12) приводят к истощению уровня SAM, что ведет к демиелинизации и нарушению процесса метилирования, которое может привести к патологии рассеянного склероза, так как нервная система весьма чувствительна к изменениям процессов метилирования, а при рассеянном склерозе (РС) нарушение процессов метилирования занимает ведущее место в патогенезе этого заболевания.

За счет реакции метилирования в организме происходит образование многих активных соединений:

1. Образование адреналина из норадреналина в надпочечниках. Это основной гормон симпатоадреналовой системы, участвующий во многих биохимических процессах обмена углеводов и липидов. Также, он обеспечивает ответную и приспособительную реакцию организма на постоянно изменяющиеся внешние условия воздействия, что может привести к нарушению адаптационной способности организма.
2. Образование креатинина в печени из гуанидинацетата. Далее, в мышцах, за счет фосфорилирования креатина образуется креатинфосфат, являющийся макроэргом и снабжающий мышцы энергией при их работе. Недостаток креатина сказывается на работоспособности мышц.
3. Образование дипептида мышечной ткани анзерина из карнозина. Эти пептиды повышают работу мышц и обладают антиоксидантным действием
4. Образование спермидина из путресцина и спермина из спермидина. Эти соединения регулируют процессы транскрипции и трансляции, что в конечном итоге влияет на синтез белка. Эти соединения входят в состав хроматина ядра и участвуют в репликации ДНК.
5. Образование холина из этаноламина. Холин необходим для синтеза фосфолипидов (ГФЛ), а также, для образования ацетилхолина. ГФЛ — это прежде всего компоненты всех клеточных мембран. Холин относится к липотропным факторам, препятствующий чрезмерному синтезу и накоплению триацилглицеролов (ТАГ), предотвращая тем самым жировую инфильтрацию печени. В свою очередь ацетилхолин является возбуждающим медиатором нервной системы, и при его отсутствии нарушается работа ЦНС
6. Реакции метилирования способствуют устойчивой структуры миелиновой оболочки нейронов, которая обеспечивается за счет метилирования белка миелина по аминокислоте аргинин. Гипометилирование белка снижает его гидрофобность и делает структуру миелина менее стабильной, что ведет к демиелинизации нервных волокон, а значит тормозит проведен6ие нервных импульсов, что вызывает нейродегенеративные заболевания. 

Реакции метилирования нейтрализуют и инактивируют биогенные амины, чрезмерное количество которых в организме может негативно отражаться на работе нервной системы. Так, избыток адреналина является возбудителем нервной системы, а избыток гистамина приводит к развитию воспалительных и аллергических реакций. Также процесс метилирования нейтрализует действие некоторых лекарственных препаратов инактивируя их токсическое действие.

Нарушение нормального протекания реакции метилирования может вызвать в организме ряд патологий, которые негативно могут отразиться на жизнедеятельности человека. Наиболее частыми могут быть такие патологии, как:

1. Рассеянный склероз: это хроническое заболевание аутоиммунной природы, которое сочетает в своем патогенезе демиелинизацию аксонов ЦНС и нейродегенерацию. Из-за нарушения процесса метилирования, запускается процесс дезаминирования, приводящий к замене аминокислоты аргинина на цитрулин в составе белка миелина. Из-за этой замены активируются Т-лимфоциты, распознающие новый фрагмент миелина как чужеродный и разрушают его, что ведет к демиелинизации нервных волокон и развитию иммунного ответа на собственные белки, что и вызывает основные симптомы рассеянного склероза. При отсутствии, либо ингибировании процессов метилирования скорость дезаминирования аргинина аргининдезаминазой возрастает, и таким образом, многократно возрастает превращение аргинина в цитрулин. Это в свою очередь активирует Т-лимфоциты. То есть проявление симптомов рассеянного склероза возникает при недостаточности фермента метионинсинтазы, приводящего к снижению уровня образования SAM (иными словами, нет SAM, нет метилирования аргинина, идет превращение аргинина в цитрулин, на новую структуру белка реагируют лимфоциты, разрушая структуру). Таким образом, рассеянный склероз - заболевания центральной нервной системы (ЦНС), характеризующееся хроническим аутоиммунным воспалением и нейродегенерацией.
2. Болезнь Альцгеймера: В различных клетках эукариотов существует фермент серин/треонин фосфотаза белка 2А (PP2A), обеспечивающий фосфорилирование структурного белка нейронов - tay. Его активность регулируется за счёт модификаций определённых участков белковой цепи, путём их метилирования. Метилирование лейцина с С-конца белковой каталитической субъединицы фермента PP2A – важнейший этап активации фермента, осуществляется за счёт специфической PP2A метилтрансферазы. Уровень метилирования РР2А(С) значительно снижены в повреждённых отделах мозга при болезни Альцгеймера (нет метилирования субъединицы фермента фосфатазы, нет фосфорилирования белка нейронов по аминокислоте серину или треонину и, как следствие, нарушается структура и целостность нейронов головного мозга).

Реакция метилирования затрагивает структуры нуклеотидов ДНК и РНК, влияя, таким образом, на процессы транскрипции и трансляции и в конечном итоге на синтез белковых молекул. Метилирование/деметилирование ДНК совместно с метилированием гистонов служит ведущим механизмом, регулирующим активность генов [2]. Метилирование ДНК протекает при участии SAM и ДНК метилтрансфераз. Реакция метилирования ДНК является одним из центральных регуляторных процессов в эпигенетике живых организмов, контролирует процессы репликации, транскрипции, трансляции, репарации ДНК, рекомбинации и транспозиции генов, служит механизмом дифференцировки клеток и тканей, дискриминации и репрессии генов, защищает геном от экспрессии генов экзогенных вирусных и эндогенных повторяющихся последовательностей ДНК.  Это особенно актуально в связи с активным развитием современных технологий и открытием новых методов диагностики и исследований по изучению структур ДНК и РНК, на основе которых начала бурно развиваться такая наука как эпигенетика, занимающаяся изучением обратимых и наследуемых изменений в ДНК и РНК, возникающих под действием различных внешних факторов (таких как стресс, неправильное питание, вредные привычки и др.) [1]. Эпигенетика предполагает изучение митотически наследуемых характеристик генетической экспрессии клетки, не связанных с изменением нуклеотидной последовательности ДНК, т.е. эпигенетика отражает совокупность процессов модификации, содержащейся в генетическом материале информации, обуславливающих избирательное «подавление» одних генов и «активацию» других. И, как раз, основными эпигенетическими изменениями, ведущими к развитию ряда заболеваний, являются метилирование разных участков ДНК и видоизменение белков гистонов (за счет метилирования, фосфорилирования и т.д.), а также влияющих на транскрипцию и трансляцию генов, вместе с метилированием ДНК. Таким образом, понимание и изучение процесса метилирования позволяет взглянуть на причину различных заболеваний с ранее недоступной обычной генетике, что может способствовать выявлению истинных причин пока ещё неизлечимых и непонятных болезней, нахождению возможных методов лечения и достоверных маркеров риска развития того или иного заболевания. Так, например, были установлены связи с уровнем гомоцистеина- одного из метаболитов процесса метилирования с такими заболеваниями как атеросклероз, сердечно-сосудистые заболевания и многими нейродегенеративными заболеваниями, аутоиммунные заболевания и др.  Метилирование ДНК формирует эпигеном и определяет его реализацию без изменения генетического кода. В патогенезе заболеваний человека участвуют как промежуточные метаболиты процесса метилирования (гомоцистеин), так и влияние нарушения метилирования белков и эпигенетического кода. Эти процессы очень чувствительны к действию разнообразных внешних факторов. На метилирование ДНК влияют всё те же процессы, что и на заболевания, которые закладываются эпигенетически, например, при недостатке в питании матери компонентов, влияющих на протекание одноуглеродного обмена и метилирования ДНК (недостаток витаминов, аминокислот и микронутриентов), т.е. основа заболеваний - нарушении цикла метионина [3].

Влияние метилирования участков ДНК на возникновение различных психических заболеваний:

1. Шизофрения: благодаря развитию современных технологий было установлено, что ключевую роль в формировании нейрональной сети коры головного мозга играет белок релин. А у больных шизофренией уровень этого белка в коре был значительно снижен. Это значит, что была снижена или полностью ингибирована транскрипция гена, отвечающего за синтез данного белка (этот белок является основой сети нейронов в коре, значит он точно присутствует в геноме, за счет эволюционного процесса). Исследование показало, что промотор гена белка релина в нейронах у больных шизофренией гиперметилирован, что служит причиной подавления его экспрессии. Поэтому для лечения шизофрении (или снятию острых симптомов) используют вальпроат [5]. Было показано, что введение препарата вальпроата (300 мг/кг в течение 15 дней) подопытным мышам ингибирует ДНК метилтрансферазы, что предотвращает гиперметилирование промоторов гена и активирует экспрессию белка релина в нейронах гиппокампа мышей [6]. А содержание мышей на диете с нагрузкой метионином приводило к метилированию промотора гена белка релина (т.к. повышалась активность ферментов метилтранфераз, из-за повышения количества субстрата) и снижению в тканях мозга животных уровня этого белка. Также у больных шизофренией была гиперметилирована промоторной область не только гена белка рилина, но и фермента декарбоксилазы глутаминовой кислоты GAD67 – фермента, катализирующего синтез ГАМК (гаммааминомасляной кислоты) из глутаминовой кислоты (глутамата). ГАМК является основным тормозным медиатором высшей нервной системы (нет ГАМК, нет торможения высших отделов НС, на этой основе могут возникать психические симптомы шизофрении, т.к. высшая нервная деятельность постоянно гиперактивна). А также, в префронтальной коре больных шизофренией обнаружено повышенное количество SAM – основного донора метильной группы для ДНК. 

Но наряду с метилированием, на экспрессию генов влияет процесс деметилирование или гипометилирование, в следствии недостатка SAM, который возникает при нарушении метаболизма метионина, при ограничении в пищевом рационе матери во время беременности необходимых микронутриентов, таких как витамин В6, В12 (при их недостатке снижается образование метионина из гомицистеина). Отсутствие метионина ведет к отсутствию образования SAM. К тому же накапливается токсичный в больших количествах для клеток гомоцистеин, что также ведет к разрушению нейронов. Также имеются данные о повышении экспрессии фермента COMT во фронтальной коре больных шизофренией, из-за гипометилирования промотора соответствующего гена. СOMT катализирует первичные этапы деградации нейромедиаторов и гормонов в головном мозге (дофамина, норадреналина, адреналина), а это приводит к снижению чувствительности нейронов к возбуждающим медиаторам, следовательно, тормозит процессы внимания, концентрации и адаптации к резким внешним факторам.

2. Болезнь Паркинсона: это одно из наиболее распространенных нейродегенеративных заболеваний в пожилом возрасте, вызывает нарушение моторных функций и развитие немоторных симптомов, снижающих качество жизни, и постепенно ведущая к потери социальной активности. Полагают, что одной из причин развития болезни Паркинсона, является отсутствие фермента ДОФА-декарбоксилазы, катализирующего образование дофамина как тормозного медиатора, за счет которого черная субстанция мозга оказывает тормозное действие на работу мышц. Но также на процесс развития патогенеза этого заболевания могут влиять реакции метилирования различных участков ДНК.

Таким образом, причиной возникновения ряда патологий в организме может быть нарушение нормального протекания реакции метилирования. Эти нарушения могут возникнуть при недостатке некоторых витаминов, микроэлементов и некоторых нутриентов, которые влияют на активность ферментов в процессе метилирования и, в конечном итоге, влияют на синтез многих активных веществ, необходимых для активного функционирования организма. Поэтому на основе быстрого развития эпигенетики, растёт понимание важности правильного и сбалансированного питания, здоровых привычек и избегания влияния канцерогенных факторов, так как от всех этих воздействий зависит уровень протекания метаболизма метионина с образованием SAM и его метаболитов. Благодаря пониманию, как проходит реакция метилирования и как связаны генетические полиморфизмы (вариации) с биохимическими путями, можно составить персональную карту восприимчивости к тем или иным заболеваниям. Сегодня активно идет разработка и испытания препаратов, направленных либо на индукцию, либо на активацию процессов метилирования, основываясь на понимании данного процесса.

Список литературы:

1. Ялаев Б.И., Тюрин А.В., Миргалиева Р.Я., Хусаинова Р.И., Медицинская генетика, Обзор, «Роль метилирования ДНК в нарушении костного метаболизма», Институт биохимии и генетики Уфимского научного центра Российской академии наук, Уфа, Вавиловский журнал генетики и селекции. 2019, 23(1), с. 67-74.
2. Федорин Д. Н., Епринцев А. Т., «Метилирование ДНК как способ регуляции экспрессии генов», ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет» Вестник ВГУ, Серия: химия, биология, фармация, 2022, № 2.
3. Фомченко Н. Е., Воропаев Е. В., «Биологические аспекты метилирования ДНК (Обзор литературы)», Проблемы здоровья и экологии, 2012 г., с. 55-59.
4. Kozbial P.Z., Mushegian A.R., "Natural history of S-adenosylmethionine-binding proteins", 2005, BMC Struct Biol. 5 (19).
5. Линноила М., Виукари М., О. Киетала «Влияние вальпроата натрия на позднюю дискинезию», Британский журнал психиатрии, 1976; 129:114-9. 
6. Кейси Д. Е., Дэниел Д. Г., Вассеф А. А., Трейси К. А., Вольнлак П., Соммервилл В., «Эффект дивалпроекса в сочетании с оланзапином или рисперидоном у участников с острым обострением шизофрении», Нейропсихофармакология, 2003; 28:182-92.