Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
5-метилцитозин
5-Methylcytosine.svg
Имена
Название ИЮПАК
4-амино-5-метил-3H-пиримидин-2-он
Идентификаторы
3D модель ( JSmol )
3DMet
120387
ЧЭБИ
ChemSpider
ECHA InfoCard100.008.236 Отредактируйте это в Викиданных
Номер ЕС
  • 209-058-3
КЕГГ
MeSH5-метилцитозин
UNII
Характеристики
C 5 H 7 N 3 O
Молярная масса125,131  г · моль -1
Опасности
Пиктограммы GHSGHS07: Вредно
Сигнальное слово GHSПредупреждение
H317 , H319
P261 , P264 , P272 , P280 , P302 + 352 , P305 + 351 + 338 , P321 , P333 + 313 , P337 + 313 , P363 , P501
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
проверитьY проверить  ( что есть   ?)проверитьY☒N
Ссылки на инфобоксы

5-Метилцитозин - это метилированная форма цитозина основания ДНК (C), которая регулирует транскрипцию гена и играет 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 входит в состав нуклеозида 5-метилцитидина .

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

Открытие [ править ]

Пытаясь выделить бактериальный токсин, вызывающий туберкулез , WG Ruppel в 1898 году выделил новую нуклеиновую кислоту, названную туберкулиновой кислотой, из Tubercle bacillus . [2] Нуклеиновая кислота оказалась необычной, поскольку она содержала, помимо тимина , гуанина и цитозина , метилированный нуклеотид. В 1925 году Джонсон и Когхилл успешно обнаружили небольшое 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, 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 от 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 в разных молекулах РНК , хотя точная роль неизвестна. [7]

In vivo [ править ]

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

  • В бактериях 5-метилцитозин может быть обнаружен в различных местах и ​​часто используется в качестве маркера для защиты ДНК от разрезания нативными ферментами рестрикции, чувствительными к метилированию .
  • У растений 5-метилцитозин присутствует в последовательностях CpG , CpHpG и CpHpH (где H = A, C или T).
  • У грибов и животных 5-метилцитозин преимущественно присутствует в динуклеотидах CpG . Большинство эукариот метилируют только небольшой процент этих сайтов, но 70-80% цитозинов CpG метилированы у позвоночных . В клетках млекопитающих кластеры CpG на 5'-концах генов называются островками CpG. [9] 1% всей ДНК млекопитающих составляет 5mC. [10]

В то время как при спонтанном дезаминировании цитозина образуется урацил , который распознается и удаляется ферментами репарации ДНК, при дезаминировании 5-метилцитозина образуется 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 цитозиндезаминаз APOBEC может иметь благотворное влияние на различные клеточные процессы, а также на эволюцию организма. [12] С другой стороны, влияние дезаминирования на 5-гидроксиметилцитозин остается менее понятным.

In vitro [ править ]

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.

Дезаминирование 5-метилцитозина до тимина

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

Дополнение и регулирование с помощью DNMT (эукариоты) [ править ]

Метки 5mC помещаются на геномную ДНК с помощью ДНК-метилтрансфераз (DNMT). У человека есть 5 DNMT: DNMT1, DNMT2, DNMT3A, DNMT3B и DNMT3L, а в водорослях и грибах присутствуют еще 3 (DNMT4, DNMT5 и DNMT6). [14] DNMT1 содержит последовательность нацеливания на фокус репликации (RFTS) и домен CXXC, которые катализируют добавление меток 5mC. RFTS направляет DNMT1 в локусы репликации ДНК, чтобы способствовать поддержанию 5mC на дочерних цепях во время репликации ДНК, тогда как CXXC содержит домен цинкового пальца для добавления de novo метилирования к ДНК. [15] DNMT1 оказалась преобладающей ДНК-метилтрансферазой во всех тканях человека. [16]В первую очередь, DNMT3A и DNMT3B ответственны за метилирование de novo , а DNMT1 поддерживает метку 5mC после репликации. [1] DNMT могут взаимодействовать друг с другом для увеличения способности метилирования. Например, 2 DNMT3L могут образовывать комплекс с 2 DNMT3A для улучшения взаимодействия с ДНК, облегчая метилирование. [17] Изменения в экспрессии DNMT приводят к аберрантному метилированию. Сверхэкспрессия вызывает усиление метилирования, тогда как нарушение фермента снижает уровни метилирования. [16]

Добавление метильной группы к цитозину

Механизм добавления следующий: сначала остаток цистеина в мотиве PCQ DNMT создает нуклеофильную атаку по углероду 6 на цитозиновый нуклеотид, который должен быть метилирован. S-аденозилметионин затем 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, с образованием пары оснований 5-метилцитозина. [15]

Деметилирование [ править ]

После того, как цитозин метилирован до 5mC, его можно вернуть в исходное состояние с помощью нескольких механизмов. Пассивное деметилирование ДНК путем разбавления удаляет метку постепенно 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), причем последние два в конечном итоге вырезаются тиминовой ДНК-гликозилазой (TDG), после чего путем эксцизионной репарации оснований (BER) для восстановления цитозина. [1] Нокаут TDG приводил к двукратному увеличению 5fC без каких-либо статистически значимых изменений до уровней 5hmC, что указывает на необходимость повторного окисления 5mC, по крайней мере, дважды до его полного деметилирования.[18] Окисление происходит черездиоксигеназы семейства TET (Ten-eleven translocation) ( ферменты TET ), которые могут превращать 5mC, 5hmC и 5fC в их окисленные формы. Однако фермент имеет наибольшее предпочтение для 5mC, и начальная скорость реакции для превращений 5hmC и 5fC с TET2 в 4,9-7,6 раз ниже. [19] TET требует Fe (II) в качестве кофактора, а также кислорода и α-кетоглутарата (α-KG) в качестве субстратов, а последний субстрат генерируется из изоцитрата ферментом изоцитратдегидрогеназой (IDH). [20] Рак, однако, может производить 2-гидроксиглутарат.(2HG), который конкурирует с α-KG, снижая активность TET и, в свою очередь, уменьшая превращение 5mC в 5hmC. [21]

Роль в людях [ править ]

В раке [ править ]

При раке ДНК может стать как чрезмерно метилированной, что называется гиперметилированием , так и недостаточным метилированием, что называется гипометилированием. [22] CpG-островки, 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, в первой наблюдались 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 вкрапленные элементы (LINE), часто наблюдаются гипометилированными при раке, что приводит к экспрессии этих обычно заглушенных генов, и уровни часто являются значимыми маркерами прогрессирования опухоли. [22] Было высказано предположение, что существует связь между гиперметилированием и гипометилированием; Избыточная активность ДНК-метилтрансфераз, которая вызывает аномальное de novo 5mC метилирование, может быть компенсирована удалением метилирования, типом эпигенетической репарации. Однако удаление метилирования неэффективно, что приводит к чрезмерному увеличению гипометилирования всего генома. Возможно и обратное; сверхэкспрессия гипометилирования может подавляться гиперметилированием всего генома. [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 противоопухолевый препарат цисплатин реагирует с 5mC. [25]

Как биомаркер старения [ править ]

«Эпигенетический возраст» относится к связи между хронологическим возрастом и уровнями метилирования ДНК в геноме. [26] Сопряжение уровней метилирования ДНК в определенных наборах CpG, называемых «тактовые CpG», с алгоритмами, регрессирующими типичные уровни коллективного метилирования всего генома в заданном хронологическом возрасте, позволяет предсказывать эпигенетический возраст. В молодости (0–20 лет) изменения метилирования ДНК происходят более быстрыми темпами по мере развития и роста, а в более старшем возрасте изменения начинают замедляться. Существует множество эпигенетических оценок возраста. Часы Хорвата измеряют набор из 353 CpG из нескольких тканей, половина из которых положительно коррелируют с возрастом, а другая половина - отрицательно, чтобы оценить эпигенетический возраст. [27]Часы Hannum 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 оценки возраста в прогнозировании смертности и продолжительности жизни, но демонстрируют систематическую ошибку с тканями, не связанными с кровью. [29] Имеются сообщения об оценках возраста с состоянием метилирования только одного CpG в гене ELOVL2. [30] Оценка возраста позволяет прогнозировать продолжительность жизни на основе ожиданий возрастных состояний, которым могут быть подвержены люди, на основе их маркеров метилирования 5mC.

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Ву, Сяоцзи; Чжан, Йи (30 мая 2017 г.). «Активное деметилирование ДНК, опосредованное TET: механизм, функция и не только». Природа Обзоры Генетики . 18 (9): 517–534. DOI : 10.1038 / nrg.2017.33 . ISSN  1471-0056 . PMID  28555658 .
  2. Перейти ↑ Matthews AP (2012). Физиологическая химия . Компания Williams & Wilkins /. п. 167. ISBN. 978-1130145373.
  3. ^ Джонсон TB, Coghill RD (1925). «Открытие 5-метилцитозина в туберкулиновой кислоте, нуклеиновой кислоте Tubercle bacillus ». J Am Chem Soc . 47 (11): 2838–2844. DOI : 10.1021 / ja01688a030 .
  4. Перейти ↑ Grosjean H (2009). Нуклеиновые кислоты не скучны с длинными полимерами только четырех типов нуклеотидов: экскурсия . Landes Bioscience.
  5. ^ Vischer Е, Заменгоф S, Чаргафф Е (1949). «Микробные нуклеиновые кислоты: дезоксипентозные нуклеиновые кислоты туберкулезных микобактерий птиц и дрожжей». J Biol Chem . 177 (1): 429–438. PMID 18107446 . 
  6. Перейти ↑ Hotchkiss RD (1948). «Количественное разделение пуринов, пиримидинов и нуклеозидов с помощью бумажной хроматографии». J Biol Chem . 175 (1): 315–332. PMID 18873306 . 
  7. ^ Сквайры JE, Patel HR, Nousch M, Sibbritt T, Хамфрис DT, Parker BJ, Сутер CM, Прейс 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 В, Россиньоль ДЛ (1999). «Метилирование ДНК эукариот 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 . 
  9. ^ Берд, Адриан П. (май 1986). «CpG-богатые острова и функция метилирования ДНК». Природа . 321 (6067): 209–213. Bibcode : 1986Natur.321..209B . DOI : 10.1038 / 321209a0 . ISSN 0028-0836 . PMID 2423876 .  
  10. ^ Эрлих, М .; Ван, РЮ (1981-06-19). «5-Метилцитозин в эукариотической ДНК». Наука . 212 (4501): 1350–1357. Bibcode : 1981Sci ... 212.1350E . DOI : 10.1126 / science.6262918 . ISSN 0036-8075 . PMID 6262918 .  
  11. ^ Саз А, Канемар Y, Kamoshita N, Хонмы М, Ясуй М (2016). «Мутагенные последствия изменений цитозина сайт-специфически встроены в геном человека» . Гены и среда . 38 (1): 17. DOI : 10,1186 / s41021-016-0045-9 . PMC 5007816 . PMID 27588157 .  
  12. ^ Chahwan R, Wontakal С.Н., Роа S (2010). «Пересечение генетической и эпигенетической информации через дезаминирование цитозина». Тенденции в генетике . 26 (10): 443–448. DOI : 10.1016 / j.tig.2010.07.005 . PMID 20800313 . 
  13. ^ Кларк SJ, Харрисон J, Пол CL, Фроммер 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. ^ Понгер, Лоик; Ли, Вэнь-Сюн (1 апреля 2005 г.). «Эволюционная диверсификация ДНК-метилтрансфераз в геномах эукариот» . Молекулярная биология и эволюция . 22 (4): 1119–1128. DOI : 10.1093 / molbev / msi098 . ISSN 0737-4038 . PMID 15689527 .  
  15. ^ a b Lyko, Франк (февраль 2018). «Семейство ДНК-метилтрансфераз: универсальный набор инструментов для эпигенетической регуляции». Природа Обзоры Генетики . 19 (2): 81–92. DOI : 10.1038 / nrg.2017.80 . ISSN 1471-0064 . PMID 29033456 .  
  16. ^ a b c Робертсон, KD; Узволгий, Э; Liang, G; Талмадж, C; Сумеги, Дж; Gonzales, FA; Джонс, Пенсильвания (1999-06-01). «Метилтрансферазы ДНК человека (DNMT) 1, 3a и 3b: координируют экспрессию мРНК в нормальных тканях и сверхэкспрессию в опухолях» . Исследования нуклеиновых кислот . 27 (11): 2291–2298. DOI : 10.1093 / NAR / 27.11.2291 . ISSN 0305-1048 . PMC 148793 . PMID 10325416 .   
  17. ^ Цзя, Да; Юрковская, Рената З .; Чжан, Син; Ельч, Альберт; Чэн, Сяодун (сентябрь 2007 г.). «Структура Dnmt3a, связанного с Dnmt3L, предлагает модель метилирования ДНК de novo» . Природа . 449 (7159): 248–251. Bibcode : 2007Natur.449..248J . DOI : 10,1038 / природа06146 . ISSN 1476-4687 . PMC 2712830 . PMID 17713477 .   
  18. ^ Сун, Чун-Сяо; Szulwach, Keith E .; Дай, Цин; Фу, Е; Мао, Ши-Цин; Линь, Ли; Стрит, Крейг; Ли, Юйцзин; Пойдевин, Микаэль; Ву, Хао; Гао, Хуан (25 апреля 2013 г.). «Полногеномное профилирование 5-формилцитозина показывает его роль в эпигенетическом праймировании» . Cell . 153 (3): 678–691. DOI : 10.1016 / j.cell.2013.04.001 . ISSN 1097-4172 . PMC 3657391 . PMID 23602153 .   
  19. ^ Ито, Синсукэ; Шен, Ли; Дай, Цин; Wu, Susan C .; Коллинз, Леонард Б .; Свенберг, Джеймс А .; Он, Чуан; Чжан, И (2011-09-02). «Белки Tet могут превращать 5-метилцитозин в 5-формилцитозин и 5-карбоксилцитозин» . Наука . 333 (6047): 1300–1303. Bibcode : 2011Sci ... 333.1300I . DOI : 10.1126 / science.1210597 . ISSN 0036-8075 . PMC 3495246 . PMID 21778364 .   
  20. ^ Лу, Синюй; Чжао, Боксуань Симэнь; Он, Чуан (12 февраля 2015 г.). «Белки семейства TET: активность окисления, взаимодействующие молекулы и функции при заболеваниях» . Химические обзоры . 115 (6): 2225–2239. DOI : 10.1021 / cr500470n . ISSN 0009-2665 . PMC 4784441 . PMID 25675246 .   
  21. ^ Сюй, Вэй; Ян, Хуэй; Лю, Инь; Ян, Инь; Ван, Пинг; Ким, Се-Хи; Ито, Синсукэ; Ян, Чен; Ван, Пу; Сяо, Мэн-Тао; Лю Ли-ся (18.01.2011). «Онкометаболит 2-гидроксиглутарат является конкурентным ингибитором α-кетоглутарат-зависимых диоксигеназ» . Раковая клетка . 19 (1): 17–30. DOI : 10.1016 / j.ccr.2010.12.014 . ISSN 1535-6108 . PMC 3229304 . PMID 21251613 .   
  22. ^ a b c Эрлих, Мелани (01.12.2009). «Гипометилирование ДНК в раковых клетках» . Эпигеномика . 1 (2): 239–259. DOI : 10.2217 / epi.09.33 . ISSN 1750-1911 . PMC 2873040 . PMID 20495664 .   
  23. ^ Джонс, Питер А. (1996-06-01). «Ошибки метилирования ДНК и рак» . Исследования рака . 56 (11): 2463–2467. ISSN 0008-5472 . PMID 8653676 .  
  24. ^ Hanahan, Дуглас; Вайнберг, Роберт А. (2011-03-04). «Признаки рака: следующее поколение» . Cell . 144 (5): 646–674. DOI : 10.1016 / j.cell.2011.02.013 . ISSN 0092-8674 . PMID 21376230 .  
  25. ^ Менке, Анника; Дубини, Ромео Калифорния; Майер, Питер; Рово, Петра; Дауман, Лена (2020-10-23). «Образование аддуктов цисплатина с эпигенетически релевантным нуклеиновым основанием 5-метилцитозином» . Европейский журнал неорганической химии . н / д (н / д). DOI : 10.1002 / ejic.202000898 . ISSN 1434-1948 . 
  26. ^ Хорват, Стив; Радж, Кеннет (июнь 2018 г.). «Биомаркеры на основе метилирования ДНК и эпигенетическая часовая теория старения». Природа Обзоры Генетики . 19 (6): 371–384. DOI : 10.1038 / s41576-018-0004-3 . ISSN 1471-0064 . PMID 29643443 .  
  27. ^ Хорват, Стив (2013-12-10). «Возраст метилирования ДНК человеческих тканей и типов клеток» . Геномная биология . 14 (10): 3156. DOI : 10,1186 / GB-2013-14-10-R115 . ISSN 1474-760X . PMC 4015143 . PMID 24138928 .   
  28. ^ Ханнум, Грегори; Гуинни, Джастин; Чжао, Линь; Чжан, Ли; Хьюз, Гай; Садда, Шринивас; Клотцле, бренди; Бибикова, Марина; Фань, Цзянь-Бин; Гао, Юань; Деконде, Роб (24 января 2013). «Полногеномные профили метилирования показывают количественные представления о темпах старения человека» . Молекулярная клетка . 49 (2): 359–367. DOI : 10.1016 / j.molcel.2012.10.016 . ISSN 1097-2765 . PMC 3780611 . PMID 23177740 .   
  29. ^ Левин, Морган Э .; Лу, Аке Т .; Куач, Остин; Чен, Брайан Х .; Assimes, Themistocles L .; Бандинелли, Стефания; Хоу, Лифанг; Baccarelli, Andrea A .; Стюарт, Джеймс Д .; Ли, Юнь; Уитсел, Эрик А. (2018-04-17). «Эпигенетический биомаркер старения для продолжительности жизни и здоровья» . Старение (Олбани, штат Нью-Йорк) . 10 (4): 573–591. DOI : 10.18632 / старение.101414 . ISSN 1945-4589 . PMC 5940111 . PMID 29676998 .   
  30. ^ Garagnani, Паоло; Bacalini, Maria G .; Пираццини, Кьяра; Гори, Давиде; Джулиани, Кристина; Мари, Даниэла; Блазио, Анна М. Ди; Джентилини, Давиде; Витале, Джованни; Коллино, Себастьяно; Реззи, Серж (2012). «Метилирование гена ELOVL2 как новый эпигенетический маркер возраста». Ячейка старения . 11 (6): 1132–1134. DOI : 10.1111 / acel.12005 . ЛВП : 11585/128353 . ISSN 1474-9726 . PMID 23061750 .  

Литература [ править ]

  • Гриффитс, Энтони Дж. Ф. (1999). Введение в генетический анализ . Сан-Франциско: WH Freeman. Глава 15: Генная мутация. ISBN 0-7167-3520-2.( доступно в Интернете в Национальном центре биотехнологической информации США )