stringtranslate.com

5-метилцитозин

5-Метилцитозин представляет собой метилированную форму цитозина основания ДНК ( C), которая регулирует транскрипцию генов и выполняет ряд других биологических функций. [1] Когда цитозин метилируется, ДНК сохраняет ту же последовательность, но экспрессия метилированных генов может быть изменена (изучение этого является частью области эпигенетики ). 5-Метилцитозин включен в состав нуклеозида 5-метилцитидина .

В 5-метилцитозине метильная группа присоединена к 5-му атому 6-атомного кольца, считая против часовой стрелки от NH-связанного азота в положении «шесть часов». Эта метильная группа отличает 5-метилцитозин от цитозина.

Открытие

Пытаясь выделить бактериальный токсин , вызывающий туберкулез , В. Г. Руппель в 1898 году выделил из туберкулезной палочки новую нуклеиновую кислоту , названную туберкулиновой кислотой . [2] Нуклеиновая кислота оказалась необычной, поскольку она содержала помимо тимина , гуанина и цитозина , метилированный нуклеотид. В 1925 году Джонсон и Когхилл успешно обнаружили незначительное количество метилированного производного цитозина как продукта гидролиза туберкулиновой кислоты серной кислотой . [3] [4] Этот отчет подвергся резкой критике, поскольку их идентификация была основана исключительно на оптических свойствах кристаллического пикрата , а другим ученым не удалось воспроизвести тот же результат. [5] Но его существование было окончательно доказано в 1948 году, когда Хочкисс отделил нуклеиновые кислоты ДНК из тимуса теленка с помощью бумажной хроматографии , с помощью которой он обнаружил уникальный метилированный цитозин, совершенно отличный от обычных цитозина и урацила . [6] Спустя семь десятилетий выяснилось, что это также общая черта для разных молекул РНК , хотя точная роль неясна. [7]

В естественных условиях

Функция этого химического вещества значительно различается у разных видов: [8]

В то время как спонтанное дезаминирование цитозина образует урацил , который распознается и удаляется ферментами репарации ДНК, дезаминирование 5-метилцитозина образует тимин . Это преобразование основания ДНК из цитозина (C) в тимин (T) может привести к переходной мутации . [11] Кроме того, активное ферментативное дезаминирование цитозина или 5-метилцитозина с помощью цитозиндезаминаз семейства APOBEC может иметь благотворное влияние на различные клеточные процессы, а также на эволюцию организма. [12] С другой стороны, последствия дезаминирования 5-гидроксиметилцитозина остаются менее изученными.

В пробирке

Группа NH 2 может быть удалена (дезаминирование) из 5-метилцитозина с образованием тимина с использованием таких реагентов, как азотистая кислота ; цитозин дезаминирует до урацила (U) в аналогичных условиях. [ нужна цитата ]

Дезаминирование 5-метилцитозина до тимина.

5-метилцитозин устойчив к дезаминированию при обработке бисульфитом , который дезаминирует остатки цитозина. Это свойство часто используется для анализа закономерностей метилирования цитозина ДНК с помощью бисульфитного секвенирования . [13]

Добавление и регулирование с помощью DNMT (эукариоты)

Метки 5mC наносятся на геномную ДНК с помощью ДНК-метилтрансфераз (DNMT). У человека имеется 5 DNMT: DNMT1, DNMT2, DNMT3A, DNMT3B и DNMT3L, а в водорослях и грибах присутствуют еще 3 (DNMT4, DNMT5 и DNMT6). [14] DNMT1 содержит последовательность, нацеленную на фокусы репликации (RFTS) и домен CXXC, которые катализируют добавление меток 5mC. RFTS направляет DNMT1 к локусам репликации ДНК, чтобы помочь поддерживать 5mC на дочерних цепях во время репликации ДНК, тогда как CXXC содержит домен цинкового пальца для добавления метилирования к ДНК de novo . [15] Было обнаружено, что DNMT1 является преобладающей ДНК-метилтрансферазой во всех тканях человека. [16] В первую очередь, DNMT3A и DNMT3B отвечают за метилирование de novo , а DNMT1 сохраняет отметку 5mC после репликации. [1] DNMT могут взаимодействовать друг с другом, увеличивая способность к метилированию. Например, 2 DNMT3L может образовывать комплекс с 2 DNMT3A для улучшения взаимодействия с ДНК, способствуя метилированию. [17] Изменения в экспрессии DNMT приводят к аберрантному метилированию. Сверхэкспрессия приводит к усилению метилирования, тогда как нарушение работы фермента снижает уровень метилирования. [16]

Механизм реакции ДНМТ
Присоединение метильной группы к цитозину

Механизм присоединения следующий: сначала остаток цистеина в мотиве PCQ DNMT создает нуклеофильную атаку по углероду 6 на нуклеотид цитозина, который должен быть метилирован. Затем S-аденозилметионин отдает метильную группу углероду 5. Основание фермента DNMT депротонирует остаточный водород на углероде 5, восстанавливая двойную связь между атомами углерода 5 и 6 в кольце, образуя пару оснований 5-метилцитозин. [15]

Деметилирование

После того как цитозин метилируется до 5mC, его можно вернуть в исходное состояние с помощью нескольких механизмов. Пассивное деметилирование ДНК путем разведения метку постепенно устраняет за счет репликации из-за отсутствия поддержки со стороны DNMT. При активном деметилировании ДНК серия окислений превращает ее в 5-гидроксиметилцитозин (5hmC), 5-формилцитозин (5fC) и 5-карбоксилцитозин (5caC), а последние два в конечном итоге вырезаются тимин-ДНК-гликозилазой (TDG), а затем путем эксцизионной репарации оснований (BER) для восстановления цитозина. [1] Нокаут TDG привел к двукратному увеличению 5fC без каких-либо статистически значимых изменений до уровней 5hmC, что указывает на то, что 5mC должен быть итеративно окислен как минимум дважды перед его полным деметилированием. [18] Окисление происходит посредством диоксигеназ семейства TET (Ten-eleven translocation) ( ферментов TET ), которые могут превращать 5mC, 5hmC и 5fC в их окисленные формы. Однако наибольшее предпочтение фермент имеет к 5mC, а начальная скорость реакции превращений 5hmC и 5fC с помощью ТЕТ2 в 4,9-7,6 раза медленнее. [19] ТЕТ требует Fe(II) в качестве кофактора, а также кислорода и α-кетоглутарата (α-KG) в качестве субстратов, причем последний субстрат образуется из изоцитрата с помощью фермента изоцитратдегидрогеназы (IDH). [20] Однако рак может производить 2-гидроксиглутарат (2HG), который конкурирует с α-KG, снижая активность ТЕТ и, в свою очередь, уменьшая превращение 5mC в 5hmC. [21]

Роль у человека

При раке

При раке ДНК может стать как чрезмерно метилированной, называемой гиперметилированием , так и недостаточно метилированной, называемой гипометилированием. [22] Островки CpG, перекрывающие промоторы генов, метилируются de novo , что приводит к аберрантной инактивации генов, обычно связанных с ингибированием роста опухолей (пример гиперметилирования). [23] Сравнивая опухоль и нормальную ткань, первая имела повышенные уровни метилтрансфераз DNMT1, DNMT3A и, главным образом, DNMT3B, все из которых связаны с аномальными уровнями 5mC при раке. [16] Повторяющиеся последовательности в геноме, включая сателлитную ДНК, Alu и длинные вкрапления элементов (LINE), часто наблюдаются гипометилированными при раке, что приводит к экспрессии этих обычно молчащих генов, а уровни часто являются важными маркерами прогрессирования опухоли. [22] Была выдвинута гипотеза, что существует связь между гиперметилированием и гипометилированием; Повышенная активность ДНК-метилтрансфераз, которые вызывают аномальное метилирование 5mC de novo , может быть компенсирована удалением метилирования, типом эпигенетической репарации. Однако удаление метилирования неэффективно, что приводит к чрезмерному гипометилированию всего генома. Возможно и обратное; Чрезмерная экспрессия гипометилирования может быть подавлена ​​за счет полногеномного гиперметилирования. [22] Отличительные способности рака, вероятно, приобретаются посредством эпигенетических изменений, которые изменяют 5mC как в раковых клетках, так и в окружающей опухоль-ассоциированной строме в микроокружении опухоли. [24] Сообщалось, что противораковый препарат Цисплатин вступает в реакцию с 5mC. [25]

Как биомаркер старения

«Эпигенетический возраст» относится к связи между хронологическим возрастом и уровнем метилирования ДНК в геноме. [26] Сочетание уровней метилирования ДНК в определенных наборах CpG, называемых «часовыми CpG», с алгоритмами, которые регрессируют типичные уровни коллективного метилирования всего генома в заданном хронологическом возрасте, позволяют прогнозировать эпигенетический возраст. В молодости (0–20 лет) изменения в метилировании ДНК происходят быстрее по мере развития и роста, а в старшем возрасте эти изменения начинают замедляться. Существует множество эпигенетических оценок возраста. Часы Хорвата измеряют набор из 353 CpG, состоящий из нескольких тканей, половина из которых положительно коррелирует с возрастом, а другая половина отрицательно, для оценки эпигенетического возраста. [27] Часы Ханнума используют образцы крови взрослых для расчета возраста на основе ортогональной основы 71 CpG. [28] Часы Левина, известные как DNAm PhenoAge, зависят от 513 CpG и превосходят другие средства оценки возраста в прогнозировании смертности и продолжительности жизни, но при этом демонстрируют смещение в отношении тканей, не относящихся к крови. [29] Имеются сообщения об оценщиках возраста с состоянием метилирования только одного CpG в гене ELOVL2. [30] Оценка возраста позволяет прогнозировать продолжительность жизни на основе ожиданий возрастных состояний, которым могут подвергаться люди, на основе их маркеров метилирования 5mC. [ нужна цитата ]

Рекомендации

  1. ^ abc Ву X, Чжан Ю (30 мая 2017 г.). «ТЕТ-опосредованное активное деметилирование ДНК: механизм, функции и не только». Обзоры природы Генетика . 18 (9): 517–534. дои : 10.1038/nrg.2017.33. ISSN  1471-0056. PMID  28555658. S2CID  3393814.
  2. ^ Мэтьюз АП (2012). Физиологическая химия. Компания Уильямс и Уилкинс/. п. 167. ИСБН 978-1130145373.
  3. ^ Джонсон ТБ, Когхилл Р.Д. (1925). «Открытие 5-метилцитозина в туберкулиновой кислоте, нуклеиновой кислоте туберкулезной палочки ». J Am Chem Soc . 47 (11): 2838–2844. дои : 10.1021/ja01688a030.
  4. ^ Грожан Х (2009). Нуклеиновые кислоты не скучны. Длинные полимеры, состоящие всего из четырех типов нуклеотидов: экскурсия. Ландес Бионаука.
  5. ^ Вишер Э, Заменгоф С, Чаргафф Э (1949). «Микробные нуклеиновые кислоты: дезоксипентозные нуклеиновые кислоты птичьих туберкулезных палочек и дрожжей». J Биол Хим . 177 (1): 429–438. дои : 10.1016/S0021-9258(18)57100-3 . ПМИД  18107446.
  6. ^ Хочкисс Р.Д. (1948). «Количественное разделение пуринов, пиримидинов и нуклеозидов методом бумажной хроматографии». J Биол Хим . 175 (1): 315–332. дои : 10.1016/S0021-9258(18)57261-6 . ПМИД  18873306.
  7. ^ Сквайрс Дж.Э., Патель HR, Нуш М., Сиббритт Т., Хамфрис Д.Т., Паркер Б.Дж., Сутер СМ, Прейсс Т. (2012). «Широко распространенное распространение 5-метилцитозина в кодирующей и некодирующей РНК человека». Нуклеиновые кислоты Рез . 40 (11): 5023–5033. дои : 10.1093/nar/gks144. ПМК 3367185 . ПМИД  22344696. 
  8. ^ Колот V, Россиньоль JL (1999). «Метилирование ДНК эукариот как эволюционный механизм». Биоэссе . 21 (5): 402–411. doi :10.1002/(SICI)1521-1878(199905)21:5<402::AID-BIES7>3.0.CO;2-B. PMID  10376011. S2CID  10784130.
  9. ^ Bird AP (май 1986 г.). «Островки, богатые CpG, и функция метилирования ДНК». Природа . 321 (6067): 209–213. Бибкод : 1986Natur.321..209B. дои : 10.1038/321209a0. ISSN  0028-0836. PMID  2423876. S2CID  4236677.
  10. ^ Эрлих М., Ван Р.Ю. (19 июня 1981). «5-Метилцитозин в эукариотической ДНК». Наука . 212 (4501): 1350–1357. Бибкод : 1981Sci...212.1350E. дои : 10.1126/science.6262918. ISSN  0036-8075. ПМИД  6262918.
  11. ^ Сасса А., Канемару Ю., Камосита Н., Хонма М., Ясуи М. (2016). «Мутагенные последствия изменений цитозина, специфически встроенных в геном человека». Гены и окружающая среда . 38 (1): 17. Бибкод : 2016GeneE..38...17S. дои : 10.1186/s41021-016-0045-9 . ПМК 5007816 . ПМИД  27588157. 
  12. ^ Чахван Р., Вонтакал С.Н., Роа С. (2010). «Перекресток между генетической и эпигенетической информацией посредством дезаминирования цитозина». Тенденции в генетике . 26 (10): 443–448. дои :10.1016/j.tig.2010.07.005. ПМИД  20800313.
  13. ^ Кларк С.Дж., Харрисон Дж., Пол КЛ., Фроммер М. (1994). «Высокочувствительное картирование метилированных цитозинов». Нуклеиновые кислоты Рез . 22 (15): 2990–2997. дои : 10.1093/нар/22.15.2990. ПМК 310266 . ПМИД  8065911. 
  14. ^ Понгер Л, Ли WH (1 апреля 2005 г.). «Эволюционная диверсификация ДНК-метилтрансфераз в геномах эукариот». Молекулярная биология и эволюция . 22 (4): 1119–1128. дои : 10.1093/molbev/msi098 . ISSN  0737-4038. ПМИД  15689527.
  15. ^ аб Лико Ф (февраль 2018 г.). «Семейство ДНК-метилтрансфераз: универсальный набор инструментов для эпигенетической регуляции». Обзоры природы Генетика . 19 (2): 81–92. дои : 10.1038/nrg.2017.80. ISSN  1471-0064. PMID  29033456. S2CID  23370418.
  16. ^ abc Робертсон К.Д., Узволги Э, Лян Г., Талмадж С., Сумеги Дж., Гонсалес Ф.А., Джонс П.А. (1 июня 1999 г.). «ДНК-метилтрансферазы человека (DNMT) 1, 3a и 3b: координируют экспрессию мРНК в нормальных тканях и сверхэкспрессию в опухолях». Исследования нуклеиновых кислот . 27 (11): 2291–2298. дои : 10.1093/нар/27.11.2291. ISSN  0305-1048. ПМК 148793 . ПМИД  10325416. 
  17. ^ Цзя Д., Юрковска Р.З., Чжан X, Елч А., Ченг X (сентябрь 2007 г.). «Структура Dnmt3a, связанного с Dnmt3L, предполагает модель метилирования ДНК de novo». Природа . 449 (7159): 248–251. Бибкод : 2007Natur.449..248J. дои : 10.1038/nature06146. ISSN  1476-4687. ПМК 2712830 . ПМИД  17713477. 
  18. ^ Song CX, Szulwach KE, Dai Q, Fu Y, Mao SQ, Lin L, Street C, Li Y, Poidevin M, Wu H, Gao J (25 апреля 2013 г.). «Полногеномное профилирование 5-формилцитозина раскрывает его роль в эпигенетическом прайминге». Клетка . 153 (3): 678–691. doi :10.1016/j.cell.2013.04.001. ISSN  1097-4172. ПМЦ 3657391 . ПМИД  23602153. 
  19. ^ Ито С., Шен Л., Дай Q, Ву С.К., Коллинз Л.Б., Свенберг Дж.А., Хэ С., Чжан Ю. (02.09.2011). «Тет-белки могут превращать 5-метилцитозин в 5-формилцитозин и 5-карбоксилцитозин». Наука . 333 (6047): 1300–1303. Бибкод : 2011Sci...333.1300I. дои : 10.1126/science.1210597. ISSN  0036-8075. ПМЦ 3495246 . ПМИД  21778364. 
  20. ^ Лу X, Чжао Б.С., Хэ С (12 февраля 2015 г.). «Белки семейства TET: окислительная активность, взаимодействующие молекулы и функции при заболеваниях». Химические обзоры . 115 (6): 2225–2239. дои : 10.1021/cr500470n. ISSN  0009-2665. ПМЦ 4784441 . ПМИД  25675246. 
  21. ^ Сюй В, Ян Х, Лю Ю, Ян Ю, Ван П, Ким Ш, Ито С, Ян С, Ван П, Сяо MT, Лю Lx (18 января 2011 г.). «Онкометаболит 2-гидроксиглутарат является конкурентным ингибитором α-кетоглутарат-зависимых диоксигеназ». Раковая клетка . 19 (1): 17–30. дои : 10.1016/j.ccr.2010.12.014. ISSN  1535-6108. ПМЦ 3229304 . ПМИД  21251613. 
  22. ^ abc Эрлих М (01 декабря 2009 г.). «Гипометилирование ДНК в раковых клетках». Эпигеномика . 1 (2): 239–259. дои : 10.2217/эпи.09.33. ISSN  1750-1911. ПМК 2873040 . ПМИД  20495664. 
  23. ^ Джонс, Пенсильвания (1 июня 1996 г.). «Ошибки метилирования ДНК и рак». Исследования рака . 56 (11): 2463–2467. ISSN  0008-5472. ПМИД  8653676.
  24. ^ Ханахан Д., Вайнберг Р.А. (4 марта 2011 г.). «Признаки рака: следующее поколение». Клетка . 144 (5): 646–674. дои : 10.1016/j.cell.2011.02.013 . ISSN  0092-8674. ПМИД  21376230.
  25. ^ Менке А., Дубини Р.К., Майер П., Рово П., Дауманн Л. (23 октября 2020 г.). «Образование аддуктов цисплатина с эпигенетически значимым нуклеиновым основанием 5-метилцитозином». Европейский журнал неорганической химии . 2021 : 30–36. дои : 10.1002/ejic.202000898 . ISSN  1434-1948.
  26. ^ Хорват С., Радж К. (июнь 2018 г.). «Биомаркеры, основанные на метилировании ДНК, и теория старения эпигенетических часов». Обзоры природы Генетика . 19 (6): 371–384. дои : 10.1038/s41576-018-0004-3. ISSN  1471-0064. PMID  29643443. S2CID  4709691.
  27. ^ Хорват С (10 декабря 2013 г.). «Возраст метилирования ДНК тканей и типов клеток человека». Геномная биология . 14 (10): 3156. doi : 10.1186/gb-2013-14-10-r115 . ISSN  1474-760X. ПМК 4015143 . ПМИД  24138928. (Ошибка:  doi :10.1186/s13059-015-0649-6, PMID  25968125, Retraction Watch . Если ошибка была проверена и не влияет на цитируемый материал, замените ее на . ){{erratum|...}}{{erratum|...|checked=yes}}
  28. ^ Ханнум Дж., Гинни Дж., Чжао Л., Чжан Л., Хьюз Г., Садда С., Клотцле Б., Бибикова М., Фан Дж.Б., Гао Ю., Деконде Р. (24 января 2013 г.). «Профили полногеномного метилирования отражают количественные данные о темпах старения человека». Молекулярная клетка . 49 (2): 359–367. doi :10.1016/j.molcel.2012.10.016. ISSN  1097-2765. ПМК 3780611 . ПМИД  23177740. 
  29. ^ Левин М.Э., Лу А.Т., Куах А., Чен Б.Х., Ассимес Т.Л., Бандинелли С., Хоу Л., Баккарелли А.А., Стюарт Дж.Д., Ли Ю., Уитсел Э.А. (17 апреля 2018 г.). «Эпигенетический биомаркер старения для продолжительности жизни и здоровья». Старение (Олбани, штат Нью-Йорк) . 10 (4): 573–591. дои : 10.18632/aging.101414. ISSN  1945-4589. ПМК 5940111 . ПМИД  29676998. 
  30. ^ Гараньани П., Бакалини М.Г., Пираццини С., Гори Д., Джулиани С., Мари Д., Блазио А.М., Джентилини Д., Витале Г., Коллино С., Резци С. (2012). «Метилирование гена ELOVL2 как новый эпигенетический маркер возраста». Стареющая клетка . 11 (6): 1132–1134. дои : 10.1111/acel.12005. hdl : 11585/128353 . ISSN  1474-9726. PMID  23061750. S2CID  8775590.

Литература