stringtranslate.com

5-Метилцитозин

5-Метилцитозин — это метилированная форма основания ДНК цитозина (C), которая регулирует транскрипцию генов и выполняет несколько других биологических ролей. [1] Когда цитозин метилирован, ДНК сохраняет ту же последовательность, но экспрессия метилированных генов может быть изменена (изучение этого является частью области эпигенетики ). 5-Метилцитозин включен в нуклеозид 5-метилцитидин .

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

Открытие

Пытаясь выделить бактериальный токсин , ответственный за туберкулез , в 1898 году WG Ruppel выделил из туберкулезной палочки новую нуклеиновую кислоту, названную туберкулиновой кислотой . [2] Было обнаружено, что нуклеиновая кислота необычна, поскольку она содержала в дополнение к тимину , гуанину и цитозину метилированный нуклеотид. В 1925 году Джонсон и Когхилл успешно обнаружили небольшое количество метилированного производного цитозина как продукт гидролиза туберкулиновой кислоты серной кислотой . [3] [4] Этот отчет подвергся жесткой критике, поскольку их идентификация основывалась исключительно на оптических свойствах кристаллического пикрата , и другие ученые не смогли воспроизвести тот же результат. [5] Но его существование было окончательно доказано в 1948 году, когда Хотчкисс отделил нуклеиновые кислоты ДНК из тимуса теленка с помощью бумажной хроматографии , с помощью которой он обнаружил уникальный метилированный цитозин, совершенно отличный от обычного цитозина и урацила . [6] Спустя семь десятилетий оказалось, что это также общая черта в различных молекулах РНК , хотя точная роль не определена. [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 семейством APOBEC цитозиндезаминаз может иметь полезные последствия для различных клеточных процессов, а также для эволюции организмов. [12] С другой стороны, последствия дезаминирования для 5-гидроксиметилцитозина остаются менее понятными.

В пробирке

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

Дезаминирование 5-метилцитозина в тимин

5-метилцитозин устойчив к дезаминированию бисульфитной обработкой, которая дезаминирует остатки цитозина. Это свойство часто используется для анализа паттернов метилирования цитозина ДНК с бисульфитным секвенированием . [13]

Добавление и регуляция с помощью DNMT (эукариоты)

Метки 5mC помещаются на геномную ДНК с помощью ДНК-метилтрансфераз (DNMT). У людей есть 5 DNMT: DNMT1, DNMT2, DNMT3A, DNMT3B и DNMT3L, а у водорослей и грибов присутствуют еще 3 (DNMT4, DNMT5 и DNMT6). [14] DNMT1 содержит последовательность нацеливания фокусов репликации (RFTS) и домен CXXC, которые катализируют добавление меток 5mC. RFTS направляет DNMT1 в локусы репликации ДНК, чтобы помочь в поддержании 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 поддерживает отметку 5mC после репликации. [1] DNMT могут взаимодействовать друг с другом, увеличивая способность к метилированию. Например, 2 DNMT3L может образовывать комплекс с 2 DNMT3A, улучшая взаимодействие с ДНК, облегчая метилирование. [17] Изменения в экспрессии DNMT приводят к аберрантному метилированию. Сверхэкспрессия приводит к повышенному метилированию, тогда как нарушение фермента снижает уровни метилирования. [16]

Механизм реакции DNMT
Добавление метильной группы к цитозину

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

Деметилирование

После того, как цитозин метилирован до 5mC, его можно вернуть в исходное состояние с помощью нескольких механизмов. Пассивное деметилирование ДНК путем разбавления постепенно устраняет метку посредством репликации из-за отсутствия поддержки со стороны DNMT. При активном деметилировании ДНК серия окислений преобразует ее в 5-гидроксиметилцитозин (5hmC), 5-формилцитозин (5fC) и 5-карбоксилцитозин (5caC), а последние два в конечном итоге вырезаются тиминовой ДНК-гликозилазой (TDG), за которой следует репарация удаления оснований (BER) для восстановления цитозина. [1] Нокаут TDG привел к двукратному увеличению 5fC без какого-либо статистически значимого изменения уровней 5hmC, что указывает на то, что 5mC должен быть итеративно окислен по крайней мере дважды перед его полным деметилированием. [18] Окисление происходит через семейство диоксигеназ TET (транслокация Ten-eleven) ( ферменты TET ), которые могут преобразовывать 5mC, 5hmC и 5fC в их окисленные формы. Однако фермент имеет наибольшее предпочтение к 5mC, а начальная скорость реакции для преобразований 5hmC и 5fC с TET2 в 4,9-7,6 раза медленнее. [19] TET требует Fe(II) в качестве кофактора, а также кислород и α-кетоглутарат (α-KG) в качестве субстратов, а последний субстрат генерируется из изоцитрата ферментом изоцитратдегидрогеназой (IDH). [20] Однако рак может производить 2-гидроксиглутарат (2HG), который конкурирует с α-KG, снижая активность TET и, в свою очередь, снижая преобразование 5mC в 5hmC. [21]

Роль в организме человека

При раке

При раке ДНК может стать как чрезмерно метилированной, что называется гиперметилированием , так и недостаточно метилированной, что называется 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 опухолевую и нормальную ткань, в первой были повышенные уровни метилтрансфераз DNMT1, DNMT3A и, в основном, DNMT3B, все из которых связаны с аномальными уровнями 5mC при раке. [16] Повторяющиеся последовательности в геноме, включая сателлитную ДНК, Alu и длинные перемежающиеся элементы (LINE), часто наблюдаются гипометилированными при раке, что приводит к экспрессии этих обычно молчащих генов, и уровни часто являются значимыми маркерами прогрессирования опухоли. [22] Была выдвинута гипотеза, что существует связь между гиперметилированием и гипометилированием; Повышенная активность ДНК-метилтрансфераз, которые производят аномальное de novo метилирование 5mC, может быть компенсирована удалением метилирования, типом эпигенетической репарации. Однако удаление метилирования неэффективно, что приводит к перерасходу гипометилирования по всему геному. Обратное также может быть возможным; повышенная экспрессия гипометилирования может быть подавлена ​​гиперметилированием по всему геному. [22] Возможности отличительного признака 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 реагирует с 5mC. [25]

Как биомаркер старения

«Эпигенетический возраст» относится к связи между хронологическим возрастом и уровнями метилирования ДНК в геноме. [26] Сочетание уровней метилирования ДНК в определенных наборах CpG, называемых «часовыми CpG», с алгоритмами, которые регрессируют типичные уровни коллективного метилирования по всему геному в заданном хронологическом возрасте, позволяет прогнозировать эпигенетический возраст. В молодости (0–20 лет) изменения в метилировании ДНК происходят с большей скоростью по мере развития и роста, и изменения начинают замедляться в более старшем возрасте. Существуют множественные эпигенетические оценщики возраста. Часы Хорвата измеряют многотканевый набор из 353 CpG, 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 из 71 CpG. [28] Часы Левина, известные как DNAm PhenoAge, зависят от 513 CpG и превосходят другие оценщики возраста в прогнозировании смертности и продолжительности жизни, но демонстрируют смещение с тканями, не являющимися кровью. [29] Имеются сообщения об оценщиках возраста с состоянием метилирования только одного CpG в гене ELOVL2. [30] Оценка возраста позволяет прогнозировать продолжительность жизни через ожидания связанных с возрастом состояний, которым могут подвергаться люди на основе их маркеров метилирования 5mC. [ необходима ссылка ]

Ссылки

  1. ^ abc Wu X, Zhang Y (2017-05-30). "TET-опосредованное активное деметилирование ДНК: механизм, функция и не только". Nature Reviews Genetics . 18 (9): 517–534. doi :10.1038/nrg.2017.33. ISSN  1471-0056. PMID  28555658. S2CID  3393814.
  2. ^ Мэтьюз AP (2012). Физиологическая химия. Williams & Wilkins Company/. стр. 167. ISBN 978-1130145373.
  3. ^ Джонсон ТБ, Когхилл РД (1925). «Открытие 5-метилцитозина в туберкулиновой кислоте, нуклеиновой кислоте туберкулезной палочки ». J Am Chem Soc . 47 (11): 2838–2844. doi :10.1021/ja01688a030.
  4. ^ Grosjean H (2009). Нуклеиновые кислоты — это не скучные длинные полимеры, состоящие всего из четырех типов нуклеотидов: путеводитель. Landes Bioscience.
  5. ^ Vischer E, Zamenhof S, Chargaff E (1949). «Микробные нуклеиновые кислоты: дезоксипентозные нуклеиновые кислоты птичьих туберкулезных палочек и дрожжей». J Biol Chem . 177 (1): 429–438. doi : 10.1016/S0021-9258(18)57100-3 . PMID  18107446.
  6. ^ Hotchkiss RD (1948). «Количественное разделение пуринов, пиримидинов и нуклеозидов с помощью бумажной хроматографии». J Biol Chem . 175 (1): 315–332. doi : 10.1016/S0021-9258(18)57261-6 . PMID  18873306.
  7. ^ Squires JE, Patel HR, Nousch M, Sibbritt T, Humphreys DT, Parker BJ, Suter CM, Preiss T (2012). «Широкое распространение 5-метилцитозина в кодирующих и некодирующих РНК человека». Nucleic Acids Res . 40 (11): 5023–5033. doi :10.1093/nar/gks144. PMC 3367185. PMID  22344696 . 
  8. ^ Colot V, Rossignol JL (1999). «Эукариотическое метилирование ДНК как эволюционное устройство». BioEssays . 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). «CpG-богатые острова и функция метилирования ДНК». Nature . 321 (6067): 209–213. Bibcode :1986Natur.321..209B. doi :10.1038/321209a0. ISSN  0028-0836. PMID  2423876. S2CID  4236677.
  10. ^ Эрлих М., Ван Р.Ю. (1981-06-19). «5-Метилцитозин в эукариотической ДНК». Science . 212 (4501): 1350–1357. Bibcode :1981Sci...212.1350E. doi :10.1126/science.6262918. ISSN  0036-8075. PMID  6262918.
  11. ^ Sassa A, Kanemaru Y, Kamoshita N, Honma M, Yasui M (2016). «Мутагенные последствия изменений цитозина, сайт-специфически встроенных в геном человека». Гены и окружающая среда . 38 (1): 17. Bibcode : 2016GeneE..38 ...17S. doi : 10.1186/s41021-016-0045-9 . PMC 5007816. PMID  27588157. 
  12. ^ Чахван Р., Вонтакал СН., Роа С. (2010). «Перекрестное взаимодействие генетической и эпигенетической информации посредством дезаминирования цитозина». Тенденции в генетике . 26 (10): 443–448. doi :10.1016/j.tig.2010.07.005. PMID  20800313.
  13. ^ Clark SJ, Harrison J, Paul CL, Frommer M (1994). «Высокочувствительное картирование метилированных цитозинов». Nucleic Acids Res . 22 (15): 2990–2997. doi : 10.1093/nar/22.15.2990. PMC 310266. PMID  8065911. 
  14. ^ Ponger L, Li WH (2005-04-01). «Эволюционная диверсификация ДНК-метилтрансфераз в эукариотических геномах». Молекулярная биология и эволюция . 22 (4): 1119–1128. doi : 10.1093/molbev/msi098 . ISSN  0737-4038. PMID  15689527.
  15. ^ ab Lyko F (февраль 2018 г.). «Семейство ДНК-метилтрансфераз: универсальный инструментарий для эпигенетической регуляции». Nature Reviews Genetics . 19 (2): 81–92. doi :10.1038/nrg.2017.80. ISSN  1471-0064. PMID  29033456. S2CID  23370418.
  16. ^ abc Robertson KD, Uzvolgyi E, Liang G, Talmadge C, Sumegi J, Gonzales FA, Jones PA (1999-06-01). "Человеческие ДНК-метилтрансферазы (DNMT) 1, 3a и 3b: координируют экспрессию мРНК в нормальных тканях и сверхэкспрессию в опухолях". Nucleic Acids Research . 27 (11): 2291–2298. doi :10.1093/nar/27.11.2291. ISSN  0305-1048. PMC 148793 . PMID  10325416. 
  17. ^ Jia D, Jurkowska RZ, Zhang X, Jeltsch A, Cheng X (сентябрь 2007 г.). «Структура Dnmt3a, связанного с Dnmt3L, предлагает модель для метилирования ДНК de novo». Nature . 449 (7159): 248–251. Bibcode :2007Natur.449..248J. doi :10.1038/nature06146. ISSN  1476-4687. PMC 2712830 . PMID  17713477. 
  18. ^ Song CX, Szulwach KE, Dai Q, Fu Y, Mao SQ, Lin L, Street C, Li Y, Poidevin M, Wu H, Gao J (2013-04-25). «Геномное профилирование 5-формилцитозина раскрывает его роль в эпигенетическом прайминге». Cell . 153 (3): 678–691. doi :10.1016/j.cell.2013.04.001. ISSN  1097-4172. PMC 3657391 . PMID  23602153. 
  19. ^ Ito S, Shen L, Dai Q, Wu SC, Collins LB, Swenberg JA, He C, Zhang Y (2011-09-02). «Tet-белки могут преобразовывать 5-метилцитозин в 5-формилцитозин и 5-карбоксилцитозин». Science . 333 (6047): 1300–1303. Bibcode :2011Sci...333.1300I. doi :10.1126/science.1210597. ISSN  0036-8075. PMC 3495246 . PMID  21778364. 
  20. ^ Lu X, Zhao BS, He C (2015-02-12). «Белки семейства TET: окислительная активность, взаимодействующие молекулы и функции при заболеваниях». Chemical Reviews . 115 (6): 2225–2239. doi :10.1021/cr500470n. ISSN  0009-2665. PMC 4784441 . PMID  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 Ehrlich M (2009-12-01). "Гипометилирование ДНК в раковых клетках". Epigenomics . 1 (2): 239–259. doi :10.2217/epi.09.33. ISSN  1750-1911. PMC 2873040. PMID 20495664  . 
  23. ^ Джонс ПА (1 июня 1996 г.). «Ошибки метилирования ДНК и рак». Cancer Research . 56 (11): 2463–2467. ISSN  0008-5472. PMID  8653676.
  24. ^ Hanahan D, Weinberg RA (2011-03-04). «Отличительные признаки рака: следующее поколение». Cell . 144 (5): 646–674. doi : 10.1016/j.cell.2011.02.013 . ISSN  0092-8674. PMID  21376230.
  25. ^ Menke A, Dubini RC, Mayer P, Rovó P, Daumann L (2020-10-23). ​​«Формирование аддуктов цисплатина с эпигенетически релевантным нуклеиновым основанием 5-метилцитозином». European Journal of Inorganic Chemistry . 2021 : 30–36. doi : 10.1002/ejic.202000898 . ISSN  1434-1948.
  26. ^ Хорват С., Радж К. (июнь 2018 г.). «Биомаркеры на основе метилирования ДНК и теория эпигенетических часов старения». Nature Reviews Genetics . 19 (6): 371–384. doi :10.1038/s41576-018-0004-3. ISSN  1471-0064. PMID  29643443. S2CID  4709691.
  27. ^ Хорват С. (2013-12-10). "Возраст метилирования ДНК тканей человека и типов клеток". Genome Biology . 14 (10): 3156. doi : 10.1186/gb-2013-14-10-r115 . ISSN  1474-760X. PMC 4015143. PMID 24138928  . (Опечатка:  doi :10.1186/s13059-015-0649-6, PMID  25968125, Retraction Watch . Если опечатка была проверена и не влияет на цитируемый материал, замените на . ){{erratum|...}}{{erratum|...|checked=yes}}
  28. ^ Hannum G, Guinney J, Zhao L, Zhang L, Hughes G, Sadda S, Klotzle B, Bibikova M, Fan JB, Gao Y, Deconde R (2013-01-24). "Профили метилирования по всему геному раскрывают количественные представления о темпах старения человека". Molecular Cell . 49 (2): 359–367. doi :10.1016/j.molcel.2012.10.016. ISSN  1097-2765. PMC 3780611 . PMID  23177740. 
  29. ^ Levine ME, Lu AT, Quach A, Chen BH, Assimes TL, Bandinelli S, Hou L, Baccarelli AA, Stewart JD, Li Y, Whitsel EA (17.04.2018). «Эпигенетический биомаркер старения для продолжительности жизни и здоровья». Aging (Albany NY) . 10 (4): 573–591. doi :10.18632/aging.101414. ISSN  1945-4589. PMC 5940111. PMID 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