stringtranslate.com

5-гидроксиметилцитозин

5-Гидроксиметилцитозин (5hmC) — это пиримидиновое азотистое основание ДНК, полученное из цитозина . Он потенциально важен в эпигенетике , поскольку гидроксиметильная группа на цитозине может включать и выключать ген. Впервые он был обнаружен у бактериофагов в 1952 году. [1] [2] Однако в 2009 году было обнаружено, что он в изобилии содержится в мозге человека и мыши , [3] , а также в эмбриональных стволовых клетках . [4] У млекопитающих он может образовываться путем окисления 5-метилцитозина , реакции, опосредованной ферментами TET . Его молекулярная формула — C 5 H 7 N 3 O 2 . [5]

Локализация

Каждая клетка млекопитающего, по-видимому, содержит 5-гидроксиметилцитозин, но уровни значительно различаются в зависимости от типа клеток. Самые высокие уровни обнаружены в нейрональных клетках центральной нервной системы . [6] [7] [8] Количество гидроксиметилцитозина увеличивается с возрастом, как показано в гиппокампе и мозжечке мышей . [6] [9]

Функция

Точная функция этого азотистого основания до сих пор полностью не выяснена, но считается, что оно может регулировать экспрессию генов или вызывать деметилирование ДНК . Эта гипотеза подтверждается тем фактом, что искусственная ДНК, содержащая 5-гидроксиметилцитозины (5hmC), может быть преобразована в немодифицированные цитозины после введения в клетки млекопитающих. [10] Более того, 5hmC сильно обогащен в первичных зародышевых клетках , где он, по-видимому, играет роль в глобальном деметилировании ДНК. [11] Кроме того, 5-формилцитозин, продукт окисления 5-гидроксиметилцитозина и возможный промежуточный продукт пути окислительного деметилирования, был обнаружен в ДНК из эмбриональных стволовых клеток, [12] хотя никаких значительных количеств этих предполагаемых промежуточных продуктов деметилирования не удалось обнаружить в тканях мышей. [8] 5-гидроксиметилцитозин может быть особенно важен для центральной нервной системы , поскольку он обнаруживается там в очень высоких уровнях. [8] Было обнаружено, что снижение уровня 5-гидроксиметилцитозина связано с нарушением самообновления в эмбриональных стволовых клетках. [13] 5-гидроксиметилцитозин также связан с лабильными, нестабильными нуклеосомами, которые часто перемещаются во время дифференциации клеток. [14]

Накопление 5-гидроксиметилцитозина (5hmC) в постмитотических нейронах связано с «функциональным деметилированием», которое облегчает транскрипцию и экспрессию генов . [15] Термин « деметилирование », применяемый к нейронам, обычно относится к замене 5-метилцитозина (5mC) цитозином в ДНК , которая может происходить посредством серии реакций с участием фермента TET, а также ферментов пути эксцизионной репарации оснований ДНК (см. Эпигенетика в обучении и памяти ). «Деметилирование» 5mC в ДНК чаще всего приводит к стимуляции экспрессии генов с нейрональной активностью. «Функциональное деметилирование» относится к замене 5mC на 5hmC, обычно одношаговой реакции, опосредованной TET, которая также облегчает экспрессию генов, эффект, аналогичный эффекту «деметилирования».

Бактерии и фаги

Фаги, вероятно, эволюционировали, чтобы использовать 5hmC, чтобы избежать распознавания большинством рестриктаз бактерий. Фаг T4 использует 5hmC исключительно во время репликации, добавляя гликозилирование к гидроксильной группе, чтобы еще больше усложнить фрагмент. [16] Некоторые бактерии, в свою очередь, эволюционировали, используя рестриктазы, специфичные для участков, содержащих 5hmC. Одним из ярких примеров является PvuRts1I, первоначально идентифицированный в 1994 году. [17]

5hmC в T4 продуцируется геномным белком 42, дезоксицитидилат 5-гидроксиметилтрансферазой ( P08773 ; EC 2.1.2.8 ). Реакции гликозилирования известны как EC 2.4.1.26 , EC 2.4.1.27 и EC 2.4.1.28 .

История

5-гидроксиметилцитозин был обнаружен Скирмантасом Криауционисом, сотрудником лаборатории Хайнца, который искал уровни 5-метилцитозина в двух различных типах нейронов. Вместо этого он обнаружил значительное количество неизвестного вещества и после проведения нескольких тестов идентифицировал его как 5-гидроксиметилцитозин. [18]

Лаборатория Л. Аравинда использовала биоинформатические инструменты для прогнозирования того, что семейство ферментов Tet, вероятно, окислит 5-метилцитозин до 5-гидроксиметилцитозина. [19] Это было продемонстрировано in vitro и на живых клетках человека и мыши учеными, работающими в лабораториях Аджаны Рао и Дэвида Р. Лю .

5-гидроксиметилцитозин был впервые обнаружен у млекопитающих в 1972 году Р. Юрой, [20], но это первоначальное открытие сомнительно. Юра обнаружил, что 5-hmC присутствует в чрезвычайно высоких концентрациях в мозге и печени крысы, полностью вытесняя 5-метилцитозин. Это противоречит всем исследованиям состава ДНК млекопитающих, проведенным до и после, включая статьи Хайнца и Рао, и другая группа не смогла воспроизвести результат Юры. [21]

С открытием 5-гидроксиметилцитозина возникли некоторые опасения относительно исследований метилирования ДНК с использованием техники бисульфитного секвенирования. [22] Было показано, что 5-гидроксиметилцитозин ведет себя как его предшественник, 5-метилцитозин, в экспериментах по бисульфитной конверсии . [23] Поэтому данные бисульфитного секвенирования, возможно, придется пересмотреть, чтобы проверить, является ли обнаруженное модифицированное основание 5-метилцитозином или 5-гидроксиметилцитозином. В 2012 году лаборатория Чуань Хэ открыла метод решения проблем, связанных с обнаружением 5-гидроксиметилцитозина как 5-метилцитозина в обычных экспериментах по бисульфитной конверсии с использованием окислительных свойств ферментов семейства Tet; этот метод был назван TAB-seq. [24] [25]

В июне 2020 года компания Oxford Nanopore добавила модель обнаружения гидроксиметилцитозина в свою исследовательскую базу rerio, что позволило повторно вызывать старые данные уровня сигнала из любых запусков нанопоры R9+ для идентификации 5hmC. [26]

Ссылки

  1. ^ Warren RA (1980). «Модифицированные основания в ДНК бактериофагов». Annu. Rev. Microbiol . 34 : 137–158. doi :10.1146/annurev.mi.34.100180.001033. PMID  7002022.
  2. ^ Wyatt GR, Cohen SS (декабрь 1952 г.). «Новое пиримидиновое основание из нуклеиновых кислот бактериофагов». Nature . 170 (4338): 1072–1073. Bibcode :1952Natur.170.1072W. doi :10.1038/1701072a0. PMID  13013321. S2CID  4277592.
  3. ^ Kriaucionis S, Heintz N (май 2009). «Основание ядерной ДНК 5-гидроксиметилцитозин присутствует в нейронах Пуркинье и мозге». Science . 324 (5929): 929–930. Bibcode :2009Sci...324..929K. doi :10.1126/science.1169786. PMC 3263819 . PMID  19372393. 
  4. ^ Tahiliani M, et al. (май 2009). «Преобразование 5-метилцитозина в 5-гидроксиметилцитозин в ДНК млекопитающих партнером MLL TET1» (PDF) . Science . 324 (5929): 930–935. Bibcode :2009Sci...324..930T. doi :10.1126/science.1170116. PMC 2715015 . PMID  19372391. 
  5. ^ 5-Гидроксиметилцитозин Архивировано 2017-09-04 на Wayback Machine , nextbio.com
  6. ^ ab Münzel M, et al. (июль 2010 г.). «Количественная оценка шестого основания ДНК гидроксиметилцитозина в мозге». Angew. Chem. Int. Ed . 49 (31): 5375–5377. doi :10.1002/anie.201002033. PMID  20583021.
  7. ^ Szwagierczak A, et al. (октябрь 2010 г.). "Чувствительная ферментативная количественная оценка 5-гидроксиметилцитозина в геномной ДНК". Nucleic Acids Res . 38 (19): e181. doi : 10.1093/nar/gkq684. PMC 2965258. PMID  20685817. 
  8. ^ abc Globisch D, et al. (декабрь 2010 г.). Croft AK (ред.). "Распределение 5-гидроксиметилцитозина в тканях и поиск активных промежуточных продуктов деметилирования". PLOS ONE . ​​5 (12): e15367. Bibcode :2010PLoSO...515367G. doi : 10.1371/journal.pone.0015367 . PMC 3009720 . PMID  21203455. 
  9. ^ Song CX и др. (декабрь 2010 г.). «Избирательная химическая маркировка выявляет распределение 5-гидроксиметилцитозина по всему геному». Nat. Biotechnol . 29 (1): 68–72. doi :10.1038/nbt.1732. PMC 3107705. PMID 21151123  . 
  10. ^ Guo JU, Su Y, Zhong C, Ming Gl, Song H (1 апреля 2011 г.). «Гидроксилирование 5-метилцитозина TET1 способствует активному деметилированию ДНК во взрослом мозге». Cell . 145 (3): 423–434. doi :10.1016/j.cell.2011.03.022. PMC 3088758 . PMID  21496894. 
  11. ^ Hackett JA, Sengupta R, Zylicz JJ, Murakami K, Lee C, Down T, Surani MA (2012-12-06). "Динамика деметилирования ДНК зародышевой линии и стирание импринта посредством 5-гидроксиметилцитозина". Science . 339 (6118): 448–52. doi :10.1126/science.1229277. PMC 3847602 . PMID  23223451. 
  12. ^ Pfaffeneder T, Hackner B, Truss M, Münzel M, Müller M, Deiml CA, Hagemeier C, Carell T (30 июня 2011 г.). «Открытие 5-формилцитозина в ДНК эмбриональных стволовых клеток». Angew. Chem. Int. Ed . 50 (31): 7008–7012. doi :10.1002/anie.201103899. PMID  21721093.
  13. ^ Freudenberg JM, Ghosh S, Lackford BL, Yellaboina S, Zheng X, Li R, Cuddapah S, Wade PA, Hu G, Jothi R (апрель 2012 г.). «Острое истощение уровней Tet1-зависимого 5-гидроксиметилцитозина ухудшает сигнализацию LIF/Stat3 и приводит к потере идентичности эмбриональных стволовых клеток». Nucleic Acids Research . 40 (8): 3364–3377. doi :10.1093/nar/gkr1253. PMC 3333871. PMID  22210859 . 
  14. ^ Teif V, Beshnova DA, Vainshtein Y, Marth C, Mallm JP, Höfer T, Rippe K (8 мая 2014 г.). «Репозиционирование нуклеосом связывает (де)метилирование ДНК и дифференциальное связывание CTCF во время развития стволовых клеток». Genome Research . 24 (8): 1285–1295. doi :10.1101/gr.164418.113. PMC 4120082 . PMID  24812327. 
  15. ^ Mellén M, Ayata P, Heintz N (сентябрь 2017 г.). «Накопление 5-гидроксиметилцитозина в постмитотических нейронах приводит к функциональному деметилированию экспрессируемых генов». Proc Natl Acad Sci USA . 114 (37): E7812–E7821. Bibcode : 2017PNAS..114E7812M. doi : 10.1073 /pnas.1708044114 . PMC 5604027. PMID  28847947. 
  16. ^ Bryson AL, Hwang Y, Sherrill-Mix S, Wu GD, Lewis JD, Black L, Clark TA, Bushman FD, Adhya S (16 июня 2015 г.). «Ковалентная модификация ДНК бактериофага T4 ингибирует CRISPR-Cas9». mBio . 6 (3): e00648. doi :10.1128/mBio.00648-15. PMC 4471564 . PMID  26081634. 
  17. ^ Borgaro JG, Zhu Z (апрель 2013 г.). «Характеристика специфичных для 5-гидроксиметилцитозина эндонуклеаз рестрикции ДНК». Nucleic Acids Research . 41 (7): 4198–206. doi :10.1093/nar/gkt102. PMC 3627594. PMID  23482393 . 
  18. ^ А, Т, Г, Ц и что?, popsci.com
  19. ^ Iyer LM, et al. (июнь 2009). «Предсказание новых семейств ферментов, участвующих в окислительных и других сложных модификациях оснований в нуклеиновых кислотах». Cell Cycle . 8 (11): 1698–1710. doi :10.4161/cc.8.11.8580. PMC 2995806 . PMID  19411852. 
  20. ^ Penn NW, Suwalski R, O'Riley C, Bojanowski K, Yura R (февраль 1972 г.). «Присутствие 5-гидроксиметилцитозина в дезоксирибонуклеиновой кислоте животных». Biochem. J . 126 (4): 781–790. doi :10.1042/bj1260781. PMC 1178489 . PMID  4538516. 
  21. ^ Котари Р., Шанкар В. (май 1976 г.). «Содержание 5-метилцитозина в дезоксирибонуклеиновых кислотах позвоночных: видовая специфичность». Журнал молекулярной эволюции . 7 (4): 325–329. Bibcode : 1976JMolE...7..325K. doi : 10.1007/BF01743628. ISSN  0022-2844. PMID  933178. S2CID  19957320.
  22. ^ "Методы анализа 5-гидроксиметилцитозина". Архивировано из оригинала 2011-07-10 . Получено 2011-01-14 .
  23. ^ Jin SG et al. (июнь 2010 г.) «Исследование специфичности методов профилирования метилирования ДНК в отношении 5-метилцитозина и 5-гидроксиметилцитозина». Nucleic Acids Res. 2010 июнь 1;38(11):e125
  24. ^ Yu M, Hon GC, Szulwach KE, Song CX, Zhang L, Kim A, Li XK, Dai Q, Shen Y, Park B, Min JH, Jin P, Ren B, He C (июнь 2012 г.). «Анализ 5-гидроксиметилцитозина в геноме млекопитающих с разрешением по основанию». Cell . 149 (6): 1368–1380. doi :10.1016/j.cell.2012.04.027. PMC 3589129 . PMID  22608086. 
  25. ^ Song CX, Szulwach KE, Fu Y, Dai Q, Yi C, Li X, Li Y, Chen CH, Zhang W, Jian X, Wang J, Zhang L, Looney TJ, Zhang B, Godley LA, Hicks LM, Lahn BT, Jin P, He C (2011). «Селективная химическая маркировка выявляет распределение 5-гидроксиметилцитозина по всему геному». Nat. Biotechnol . 29 (1): 68–72. doi :10.1038/nbt.1732. PMC 3107705. PMID  21151123 . 
  26. ^ "Добавлены модели CpG (min, prom и min 5mC+5hmC) и некоторая незначительная очистка". nanoporetech / rerio . GitHub . Получено 18 июня 2020 г. .

Смотрите также