В биологических системах метилирование осуществляется ферментами. Метилирование может модифицировать тяжелые металлы и регулировать экспрессию генов, процессинг РНК и функцию белка. Это ключевой процесс, лежащий в основе эпигенетики . Источники метильных групп включают S-метилметионин, метилфолат, метил B12. [1]
Метаногенез
Метаногенез , процесс, который генерирует метан из CO 2 , включает ряд реакций метилирования. Эти реакции вызываются набором ферментов, которые содержатся в семействе анаэробных микробов. [2]
В обратном метаногенезе метан является метилирующим агентом. [3]
О-метилтрансферазы
Широкий спектр фенолов подвергается O-метилированию с образованием производных анизола . Этот процесс, катализируемый такими ферментами, как кофеоил-КоА O-метилтрансфераза , является ключевой реакцией в биосинтезе лигнолов , прекурсоров лигнина , основного структурного компонента растений.
Наряду с убиквитинированием и фосфорилированием метилирование является основным биохимическим процессом модификации функции белка. Наиболее распространенные метилирования белков затрагивают остатки аргинина и лизина определенных гистонов. В противном случае метилированию подвержены гистидин, глутамат, аспарагин, цистеин. Некоторые из этих продуктов включают S -метилцистеин , два изомера N -метилгистидина и два изомера N -метиларгинина. [4]
Метионинсинтаза
Метионинсинтаза регенерирует метионин (Met) из гомоцистеина (Hcy). Общая реакция преобразует 5-метилтетрагидрофолат (N 5 -MeTHF) в тетрагидрофолат (THF), одновременно перенося метильную группу на Hcy с образованием Met. Синтез метионина может быть кобаламин-зависимым и кобаламин-независимым: у растений есть оба, животные зависят от метилкобаламин-зависимой формы.
В метилкобаламин-зависимых формах фермента реакция протекает в два этапа в реакции пинг-понга. Фермент изначально приводится в реактивное состояние путем переноса метильной группы из N 5 -MeTHF в Co(I) в связанном с ферментом кобаламине ((Cob), также известном как витамин B12)), образуя метилкобаламин (Me-Cob), который теперь содержит Me-Co(III) и активирует фермент. Затем Hcy, который координировался с цинком , связанным с ферментом , для образования реактивного тиолята, реагирует с Me-Cob. Активированная метильная группа переносится из Me-Cob в тиолят Hcy, который регенерирует Co(I) в Cob, и Met высвобождается из фермента. [5]
Тяжелые металлы: мышьяк, ртуть, кадмий
Биометилирование — это путь преобразования некоторых тяжелых элементов в более мобильные или более летальные производные, которые могут попасть в пищевую цепь . Биометилирование соединений мышьяка начинается с образования метанарсонатов . Таким образом, трехвалентные неорганические соединения мышьяка метилируются с образованием метанарсоната. S-аденозилметионин является донором метильной группы. Метанарсонаты являются предшественниками диметиларсонатов, снова посредством цикла восстановления (до метиларсонистой кислоты) с последующим повторным метилированием. [6] Схожие пути обнаружены при микробном метилировании ртути до метилртути .
Эпигенетическое метилирование
метилирование ДНК
Метилирование ДНК — это превращение цитозина в 5-метилцитозин . Образование Me-CpG катализируется ферментом ДНК-метилтрансферазой . У позвоночных метилирование ДНК обычно происходит в сайтах CpG (сайты цитозин-фосфат-гуанин — то есть сайты, где за цитозином непосредственно следует гуанин в последовательности ДНК). У млекопитающих метилирование ДНК распространено в клетках организма, [7] и метилирование сайтов CpG, по-видимому, является стандартным. [8] [9] В ДНК человека метилировано около 80–90% сайтов CpG, но есть определенные области, известные как CpG-островки , которые богаты CG (высокое содержание цитозина и гуанина, состоящее примерно из 65% остатков CG ), где ни один из них не метилирован. Они связаны с промоторами 56% генов млекопитающих, включая все повсеместно экспрессируемые гены . От одного до двух процентов человеческого генома представляют собой кластеры CpG, и существует обратная зависимость между метилированием CpG и транскрипционной активностью. Метилирование, способствующее эпигенетическому наследованию, может происходить либо через метилирование ДНК, либо через метилирование белков. Неправильное метилирование человеческих генов может привести к развитию заболеваний, [10] [11] включая рак. [12] [13]
У медоносных пчел метилирование ДНК связано с альтернативным сплайсингом и регуляцией генов на основе функционального геномного исследования, опубликованного в 2013 году. [14] Кроме того, метилирование ДНК связано с изменениями экспрессии в иммунных генах, когда медоносные пчелы подвергались смертельной вирусной инфекции. [15] Было опубликовано несколько обзорных статей по темам метилирования ДНК у социальных насекомых. [16] [17]
Метилирование РНК
Метилирование РНК происходит в различных видах РНК, а именно: тРНК , рРНК , мРНК , тмРНК , мяРНК , мноРНК , микроРНК и вирусной РНК. Различные каталитические стратегии используются для метилирования РНК различными РНК-метилтрансферазами. Считается, что метилирование РНК существовало до метилирования ДНК в ранних формах жизни, эволюционировавших на Земле. [18]
N6-метиладенозин (m6A) является наиболее распространенной и распространенной модификацией метилирования в молекулах РНК (мРНК), присутствующих у эукариот. 5-метилцитозин (5-mC) также часто встречается в различных молекулах РНК. Последние данные убедительно свидетельствуют о том, что метилирование РНК m6A и 5-mC влияет на регуляцию различных биологических процессов, таких как стабильность РНК и трансляция мРНК, [19] и что аномальное метилирование РНК способствует этиологии заболеваний человека. [20]
У социальных насекомых, таких как медоносные пчелы, метилирование РНК изучается как возможный эпигенетический механизм, лежащий в основе агрессии посредством реципрокных скрещиваний. [21]
Метилирование белков
Метилирование белка обычно происходит на остатках аминокислот аргинина или лизина в последовательности белка. [22] Аргинин может быть метилирован один раз (монометилированный аргинин) или дважды, либо с обеими метильными группами на одном концевом азоте ( асимметричный диметиларгинин ), либо с одной на обоих азотах (симметричный диметиларгинин), протеинаргининметилтрансферазами (PRMT). Лизин может быть метилирован один, два или три раза лизинметилтрансферазами. Метилирование белков было наиболее изучено в гистонах . Перенос метильных групп от S-аденозилметионина к гистонам катализируется ферментами, известными как гистонметилтрансферазы . Гистоны, метилированные по определенным остаткам, могут действовать эпигенетически, подавляя или активируя экспрессию генов. [23] [24] Метилирование белков является одним из типов посттрансляционной модификации .
Эволюция
Метиловый метаболизм очень древний и может быть обнаружен во всех организмах на Земле, от бактерий до людей, что указывает на важность метилового метаболизма для физиологии. [25] Действительно, фармакологическое ингибирование глобального метилирования у видов, начиная от человека, мыши, рыбы, мухи, круглого червя, растения, водоросли и цианобактерии, вызывает те же эффекты на их биологические ритмы, демонстрируя консервативные физиологические роли метилирования в ходе эволюции. [26]
В химии
Термин «метилирование» в органической химии относится к процессу алкилирования, используемому для описания доставки группы CH3 . [27]
Реакция Эшвайлера -Кларка представляет собой метод метилирования аминов . [36] Этот метод позволяет избежать риска кватернизации , которая возникает при метилировании аминов метилгалогенидами.
Преимущество метода заключается в том, что побочные продукты легко удаляются из смеси продуктов. [37]
Нуклеофильное метилирование
Метилирование иногда включает использование нуклеофильных метильных реагентов. Сильно нуклеофильные метилирующие агенты включают метиллитий ( CH 3 Li ) [38] или реагенты Гриньяра, такие как метилмагнийбромид ( CH 3 MgX ). [39] Например, CH 3 Li будет добавлять метильные группы к карбонилу (C=O) кетонов и альдегидов.:
^ Рэгсдейл, Стивен В. (2008). «Катализ переносов метильных групп с участием тетрагидрофолата и B12». Фолиевая кислота и фолаты . Витамины и гормоны. Т. 79. С. 293–324. doi :10.1016/S0083-6729(08)00410-X. ISBN 978-0-12-374232-2. PMC 3037834 . PMID 18804699.
^ Тауэр, Р. К., «Биохимия метаногенеза: дань уважения Марджори Стивенсон», Микробиология, 1998, том 144, страницы 2377-2406.
^ Кларк, Стивен Г. (2018). «Рибосома: горячая точка для идентификации новых типов белковых метилтрансфераз». Журнал биологической химии . 293 (27): 10438–10446. doi : 10.1074/jbc.AW118.003235 . PMC 6036201. PMID 29743234 .
^ Мэтьюз, РГ; Смит, АЕ; Чжоу, ЗС; Таурог, Р.Е.; Бандарян, В.; Эванс, Дж.К.; Людвиг, М. (2003). «Кобаламин-зависимые и кобаламин-независимые метионинсинтазы: существуют ли два решения одной и той же химической проблемы?». Helvetica Chimica Acta . 86 (12): 3939–3954. doi :10.1002/hlca.200390329.
^ Styblo, M.; Del Razo, LM; Vega, L.; Germolec, DR; LeCluyse, EL; Hamilton, GA; Reed, W.; Wang, C.; Cullen, WR; Thomas, DJ (2000). «Сравнительная токсичность трехвалентных и пятивалентных неорганических и метилированных мышьяков в клетках крыс и человека». Архивы токсикологии . 74 (6): 289–299. doi :10.1007/s002040000134. PMID 11005674. S2CID 1025140.
^ Tost J (2010). «Метилирование ДНК: введение в биологию и изменения перспективного биомаркера, связанные с болезнями». Mol Biotechnol . 44 (1): 71–81. doi :10.1007/s12033-009-9216-2. PMID 19842073. S2CID 20307488.
^ Lister R, Pelizzola M, Dowen RH, Hawkins RD, Hon G, Tonti-Filippini J, Nery JR, Lee L, Ye Z, Ngo QM, Edsall L, Antosiewicz-Bourget J, Stewart R, Ruotti V, Millar AH, Thomson JA, Ren B, Ecker JR (ноябрь 2009 г.). "Human DNA methylomes at base resolution show broadenly epigenomic differences". Nature . 462 (7271): 315–22. Bibcode :2009Natur.462..315L. doi :10.1038/nature08514. PMC 2857523 . PMID 19829295.
^ Стадлер М.Б., Мурр Р., Бургер Л., Иванек Р., Линерт Ф., Шелер А., ван Нимвеген Э., Вирбелауэр С., Окли Э.Дж., Гайдацис Д., Тивари В.К., Шюбелер Д. (декабрь 2011 г.). «ДНК-связывающие факторы формируют метилом мыши в дистальных регуляторных областях». Природа . 480 (7378): 490–5. дои : 10.1038/nature11086 . ПМИД 22170606.
^ Rotondo JC, Selvatici R, Di Domenico M, Marci R, Vesce F, Tognon M, Martini F (сентябрь 2013 г.). «Потеря метилирования в импринтированном гене H19 коррелирует с гиперметилированием промотора гена метилентетрагидрофолатредуктазы в образцах спермы бесплодных мужчин». Epigenetics . 8 (9): 990–7. doi :10.4161/epi.25798. PMC 3883776 . PMID 23975186.
^ Rotondo JC, Bosi S, Bazzan E, Di Domenico M, De Mattei M, Selvatici R, Patella A, Marci R, Tognon M, Martini F (декабрь 2012 г.). «Гиперметилирование промотора гена метилентетрагидрофолатредуктазы в образцах спермы бесплодных пар коррелирует с рецидивирующими спонтанными абортами». Human Reproduction . 27 (12): 3632–8. doi : 10.1093/humrep/des319 . hdl : 11392/1689715 . PMID 23010533.
^ Rotondo JC, Borghi A, Selvatici R, Magri E, Bianchini E, Montinari E, Corazza M, Virgili A, Tognon M, Martini F (2016). «Инактивация гена IRF6, вызванная гиперметилированием, как возможное раннее событие в прогрессировании плоскоклеточного рака вульвы, связанного со склерозирующим лишаем». JAMA Dermatology . 152 (8): 928–33. doi :10.1001/jamadermatol.2016.1336. PMID 27223861.
^ Ротондо Х.К., Борги А., Селватичи Р., Маццони Э., Бонони I, Корацца М., Кусини Дж., Монтинари Э., Гафа Р., Тоньон М., Мартини Ф. (2018). «Связь гена β-рецептора ретиноевой кислоты с возникновением и прогрессированием плоскоклеточной карциномы вульвы, связанной со склероатрофическим лишаем». JAMA Дерматология . 154 (7): 819–823. doi :10.1001/jamadermatol.2018.1373. ПМК 6128494 . ПМИД 29898214.
^ Ли-Байарлей, Хонгмей; Ли, Ян; Страуд, Хьюм; Фэн, Сухуа; Ньюман, Томас С.; Канеда, Меган; Хоу, Кирк К.; Уорли, Ким С.; Элсик, Кристин Г.; Виклин, Сэмюэл А.; Якобсен, Стивен Э.; Ма, Цзянь; Робинсон, Джин Э. (30 июля 2013 г.). «РНК-интерференционное нокдаун ДНК-метилтрансферазы 3 влияет на альтернативный сплайсинг генов у медоносной пчелы». Труды Национальной академии наук . 110 (31): 12750–12755. Bibcode : 2013PNAS..11012750L. doi : 10.1073/pnas.1310735110 . PMC 3732956 . PMID 23852726.
^ Ли-Байарлей, Хонгмей; Бонкристиани, Умберто; Хауэлл, Гэри; Герман, Джейк; Кларк, Линдси; Стрэнд, Мишелин К.; Тарпи, Дэвид; Рюппель, Олав (24 сентября 2020 г.). «Транскриптомная и эпигеномная динамика медоносных пчел в ответ на смертельную вирусную инфекцию». Frontiers in Genetics . 11. doi : 10.3389 /fgene.2020.566320 . PMC 7546774. PMID 33101388 .
^ Ли-Бьярлай, Хонгмей (19 мая 2016 г.). «Функция меток метилирования ДНК у социальных насекомых». Frontiers in Ecology and Evolution . 4. doi : 10.3389/fevo.2016.00057 .
^ Ван, Ин; Ли-Бьярлей, Хонгмей (2015). Физиологические и молекулярные механизмы питания медоносных пчел . Достижения в физиологии насекомых. Т. 49. С. 25–58. doi :10.1016/bs.aiip.2015.06.002. ISBN978-0-12-802586-4.
^ Рана, Аджай К.; Анкри, Серж (6 июня 2016 г. ) . «Возрождение мира РНК: взгляд на появление РНК-метилтрансфераз». Frontiers in Genetics . 7 : 99. doi : 10.3389/fgene.2016.00099 . PMC 4893491. PMID 27375676.
^ Чой, Джунхонг; Йонг, Ка-Венг; Демирчи, Хасан; Чен, Джин; Петров, Алексей; Прабхакар, Арджун; О'Лири, Шон Э; Доминисини, Дэн; Рехави, Гидеон; Солтис, С. Майкл; Эренберг, Монс; Пуглиси, Джозеф Д. (февраль 2016 г.). «N6-метиладенозин в мРНК нарушает селекцию тРНК и динамику удлинения трансляции». Структурная и молекулярная биология природы . 23 (2): 110–115. дои : 10.1038/nsmb.3148. ПМЦ 4826618 . ПМИД 26751643.
^ Стюарт, Кендал (15 сентября 2017 г.). «Тестирование метилирования (MTHFR) и дефицит фолата». Архивировано из оригинала 12 октября 2017 г. Получено 11 октября 2017 г.
^ Бреснахан, Шон Т.; Ли, Эллен; Кларк, Линдси; Ма, Ронг; Рангел, Джулиана; Грозингер, Кристина М.; Ли-Байарлей, Хонгмей (12 июня 2023 г.). «Изучение влияния родителя на транскрипцию и метилирование РНК при опосредовании агрессивного поведения у медоносных пчел (Apis mellifera)». BMC Genomics . 24 (1): 315. doi : 10.1186/s12864-023-09411-4 . PMC 10258952 . PMID 37308882.
^ Уолш, Кристофер (2006). «Метилирование белков». Посттрансляционная модификация белков: расширение природного инвентаря . Roberts and Company Publishers. стр. 121–149. ISBN978-0-9747077-3-0.
^ Grewal, Shiv IS; Rice, Judd C (июнь 2004 г.). «Регуляция гетерохроматина метилированием гистонов и малыми РНК». Current Opinion in Cell Biology . 16 (3): 230–238. doi :10.1016/j.ceb.2004.04.002. PMID 15145346.
^ Nakayama, Jun-ichi; Rice, Judd C.; Strahl, Brian D.; Allis, C. David; Grewal, Shiv IS (6 апреля 2001 г.). «Роль метилирования лизина 9 гистона H3 в эпигенетическом контроле сборки гетерохроматина». Science . 292 (5514): 110–113. Bibcode :2001Sci...292..110N. doi :10.1126/science.1060118. PMID 11283354.
^ Kozbial, Piotr Z; Mushegian, Arcady R (декабрь 2005 г.). "Естественная история белков, связывающих S-аденозилметионин". BMC Structural Biology . 5 (1): 19. doi : 10.1186/1472-6807-5-19 . PMC 1282579 . PMID 16225687.
^ Фустин, Жан-Мишель; Йе, Шики; Рейкерс, Кристин; Канеко, Кенсуке; Фукумото, Кадзуки; Ямано, Маю; Верстевен, Марийке; Грюневальд, Эллен; Каргилл, Саманта Дж.; Тамай, Т. Кэтрин; Сюй, Яо; Джаббур, Мария Луиза; Кодзима, Рика; Ламберти, Мелиса Л.; Ёсиока-Кобаяши, Кумико; Уитмор, Дэвид; Таммам, Стефани; Хауэлл, П. Линн; Кагеяма, Рёитиро; Мацуо, Такуя; Станевски, Ральф; Голомбек, Диего А.; Джонсон, Карл Хирши; Какея, Хидеаки; ван Оойен, Гербен; Окамура, Хитоши (6 мая 2020 г.). «Дефицит метилирования нарушает биологические ритмы от бактерий до людей». Communications Biology . 3 (1): 211. doi : 10.1038/s42003-020-0942-0 . PMC 7203018. PMID 32376902 .
^ "Ароматическое замещение, нуклеофильное и металлоорганическое". March's Advanced Organic Chemistry . 2006. стр. 853–933. doi :10.1002/9780470084960.ch13. ISBN978-0-471-72091-1.
^ Тундо, Пьетро; Сельва, Маурицио; Бомбен, Андреа (1999). "Моно-C-метилатион арилацетонитрилов и метиларилацетатов диметилкарбонатом: общий метод синтеза чистых 2-арилпропионовых кислот. 2-Фенилпропионовая кислота". Органические синтезы . 76 : 169. doi :10.15227/orgsyn.076.0169.
^ Ненад, Мараш; Поланц, Словенко; Кочевар, Мариян (2008). «Микроволновое метилирование фенолов хлоридом тетраметиламмония в присутствии K 2 CO 3 или Cs 2 CO 3 ». Тетраэдр . 64 (51): 11618–11624. дои : 10.1016/j.tet.2008.10.024.
^ Poon, Kevin WC; Albiniak, Philip A.; Dudley, Gregory B. (2007). «Защита спиртов с использованием 2-бензилокси-1-метилпиридинийтрифторметансульфаноата: метил (R)-(-)-3-бензилокси-2-метилпропаноата». Organic Syntheses . 84 : 295. doi :10.15227/orgsyn.084.0295.
^ Ниман, М.; Джонсон, Уильям С. (1961). "Холестанилметиловый эфир". Органические синтезы . 41 : 9. doi :10.15227/orgsyn.041.0009.
^ Purdie, T.; Irvine, JC (1903). "C.?Алкилирование сахаров". Журнал химического общества, Труды . 83 : 1021–1037. doi :10.1039/CT9038301021.
^ Айк, Роланд Н.; Вайсгарвер, Бернетт Б.; Аллес, Гордон А. (1945). "β-Фенилэтилдиметиламин". Органические синтезы . 25 : 89. doi :10.15227/orgsyn.025.0089.
^ Shioiri T, Aoyama T, Snowden T (2001). "Триметилсилилдиазометан". Энциклопедия реагентов для органического синтеза . e-EROS Энциклопедия реагентов для органического синтеза . doi :10.1002/047084289X.rt298.pub2. ISBN978-0-471-93623-7.
^ Липски, Шарон Д.; Холл, Стэн С. (1976). "Ароматические углеводороды из ароматических кетонов и альдегидов: 1,1-дифенилэтан". Органические синтезы . 55 : 7. doi :10.15227/orgsyn.055.0007.
^ Граммитт, Оливер; Беккер, Эрнест И. (1950). "транс-1-фенил-1,3-бутадиен". Органические синтезы . 30 : 75. doi :10.15227/orgsyn.030.0075.
^ Negishi, Ei-ichi; Matsushita, Hajime (1984). "Palladium-Catalyzed Synthesis of 1,4-Dienes by Allylation of Alkenyalane: α-Farnesene". Organic Syntheses . 62 : 31. doi :10.15227/orgsyn.062.0031.
^ Wienken CJ, Baaske P, Duhr S, Braun D (2011). «Термофоретические кривые плавления количественно определяют конформацию и стабильность РНК и ДНК». Nucleic Acids Research . 39 (8): e52. doi :10.1093/nar / gkr035. PMC 3082908. PMID 21297115.
Внешние ссылки
На Викискладе есть медиафайлы по теме «Метилирование» .
Найдите информацию о метилировании в Викисловаре, бесплатном словаре.
deltaMasses Обнаружение метилирований после масс-спектрометрии