Promotion Wiebke Winkens Abgabeversion 2 - RWTH

1.2.3 Epigenetik und DNA-Methylierung
Einleitung
Unter Epigenetik versteht man eine vererbbare Modifikation des Genoms, die ohne eine
Veränderung der DNA-Sequenz einhergeht und zu einer differenziellen Expression von
Genen führt (Holliday, 1987). Eine der Schlüssel-Modifikationen der Epigenetik ist die
DNA-Methylierung. Über eine Methylierung der DNA werden Prozesse wie die
Embryonalentwicklung (Ehrlich, 2003), das genomische Imprinting (Feil & Khosla,
1999), das Chromatin-Remodeling, die chromosomale Stabilität, die X-Chromosomen-
Inaktivierung (Chow & Brown, 2003) und die Immunabwehr (Goldberg et al., 2000)
reguliert.
Weitere epigenetische Modifikationen sind die Acetylierung, die Phosphorylierung und
die Ubiquitinierung von Histonen. Die Methylierung des C5-Atoms an Cytosinen der
CpG-Dinukleotidfolge gilt jedoch als eine der wichtigsten epigenetischen DNA-
Modifikationen des Säugergenoms (Delaval & Feil, 2004).
Die Dinukleotidfolge CpG wäre rechnerisch mit einer Häufigkeit von ungefähr 4% im
menschlichen Genom zu erwarten. Tatsächlich findet man sie aber nur mit einer
Häufigkeit von 0,8 %. Dies liegt an der in vivo häufig und spontan auftretenden
hydrolytischen Desaminierung von 5-Methyl-Cytosin. Einem Fehler, der von den DNA-
Reparaturenzymen nicht erkannt wird und letztendlich zu einer dauerhaften Transition
von Cytosin in Thymin in den DNA-Tochtersträngen führt (Knippers, 2001).
Die Methylierung der C5-Atome des Cytosin erfolgt enzymatisch durch DNA-
Methyltransferasen (DNMT). Der Donator der Methylgruppe ist hierbei S-Adenosyl-
Methionin (SAM). 60-90% der methylierten CG-Nukleotiden sind in den CpG-Inseln
des Genoms lokalisiert, die sich häufig in der Promotorregion und dem ersten Exon von
Genen befinden (Kundu & Rao, 1999).
Bislang werden drei unterschiedliche Gruppen von DNA-Methyltransferasen
unterschieden. Die am häufigsten vorkommende erste Gruppe der
Erhaltungsmethyltransferasen (DNMT1) ist vor allem für eine Aufrechterhaltung des
DNA-Methylierungsmuster verantwortlich. Die zweite Gruppe, DNMT2, spielt eine
Rolle in der Erkennung und Reparatur von DNA-Schäden (Okano et al., 1998; Pradhan
& Esteve, 2003), während die dritte Gruppe, DNMT3a und DNMT3b, vermutlich de
novo Methyltransferasen darstellen (Okano, 1999).
1.2.3.1 DNA-Methylierung von Promoterregionen
Unter CpG-Inseln versteht man nach der Definition von Takai und Jones DNA-
Abschnitte, sogenannte Cluster, von mindestens 500 bp Länge, die einen erhöhten
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