5-metilcitozină - 5-Methylcytosine
|
|
| Numele | |
|---|---|
|
Numele IUPAC preferat
4-amino-5-metilpirimidin-2 (1 H ) -ona |
|
| Identificatori | |
|
Model 3D ( JSmol )
|
|
| 3DMet | |
| 120387 | |
| ChEBI | |
| ChemSpider | |
| ECHA InfoCard |
100.008.236 
|
| Numărul CE | |
| KEGG | |
| Plasă | 5-metilcitozină |
|
PubChem CID
|
|
| UNII | |
|
CompTox Dashboard ( EPA )
|
|
|
|
|
|
| Proprietăți | |
| C 5 H 7 N 3 O | |
| Masă molară | 125,131 g · mol −1 |
| Pericole | |
| Pictograme GHS |
|
| GHS Cuvânt de avertizare | Avertizare |
| H317 , H319 | |
| P261 , P264 , P272 , P280 , P302 + 352 , P305 + 351 + 338 , P321 , P333 + 313 , P337 + 313 , P363 , P501 | |
 verifica ( ce este ?)
  |
|
| Referințe infobox | |
5-Metilcitozina este o formă metilată a citozinei ADN- bază (C) care reglează transcrierea genelor și are alte câteva roluri biologice. Când citozina este metilată, ADN-ul menține aceeași secvență, dar expresia genelor metilate poate fi modificată (studiul acesteia face parte din domeniul epigeneticii ). 5-metilcitozina este încorporată în nucleozida 5-metilcitozinei .
În 5-metilcitozină, o grupare metil este atașată la cel de-al cincilea atom din inelul cu 6 atomi, numărând în sens invers acelor de ceasornic de la azotul legat de NH la poziția ora șase. Această grupare metil distinge 5-metilcitozina de citozină.
Descoperire
În timp ce încerca să izoleze toxina bacteriană responsabilă de tuberculoză , WG Ruppel a izolat un acid nucleic nou numit acid tuberculinic în 1898 din bacilul tuberculos . Acidul nucleic sa dovedit a fi neobișnuit, prin faptul că conținea, pe lângă timină , guanină și citozină , o nucleotidă metilată. În 1925, Johnson și Coghill au detectat cu succes o cantitate minoră de derivat de citozină metilată ca produs al hidrolizei acidului tuberculinic cu acidul sulfuric . Acest raport a fost aspru criticat, deoarece identificarea lor se bazează exclusiv pe proprietățile optice ale picratului cristalin, iar alți oameni de știință nu au reușit să reproducă același rezultat. Dar existența sa a fost dovedită în cele din urmă în 1948, când Hotchkiss a separat acizii nucleici ai ADN-ului de timusul vițelului folosind cromatografia pe hârtie , prin care a detectat o citozină metilată unică, destul de distinctă de citozina convențională și uracil . După șapte decenii, sa dovedit că este, de asemenea, o caracteristică comună în diferite molecule de ARN , deși rolul precis este incert.
In vivo
Funcția acestei substanțe chimice variază semnificativ între specii:
- La bacterii, 5-metilcitozina poate fi găsită într-o varietate de locuri și este adesea utilizată ca marker pentru a proteja ADN-ul de a fi tăiat de enzimele de restricție native sensibile la metilare .
- La plante, 5-metilcitozina apare la secvențele CpG , CpHpG și CpHpH (unde H = A, C sau T).
- La ciuperci și animale, 5-metilcitozina apare predominant la dinucleotidele CpG . Majoritatea eucariotelor metilează doar un procent mic din aceste situri, dar 70-80% din citozinele CpG sunt metilate la vertebrate . În celulele mamiferelor, grupurile de CpG la capetele 5 'ale genelor sunt denumite insule CpG. 1% din ADN-ul tuturor mamiferelor este de 5mC.
În timp ce dezaminarea spontană a citozinei formează uracil , care este recunoscută și îndepărtată de enzimele de reparare a ADN-ului, dezaminarea 5-metilcitozinei formează timina . Această conversie a unei baze ADN de la citozină (C) la timină (T) poate duce la o mutație de tranziție . În plus, dezaminarea enzimatică activă a citozinei sau 5-metilcitozinei de către familia APOBEC de citozin deaminaze ar putea avea implicații benefice asupra diferitelor procese celulare, precum și asupra evoluției organismului. Implicațiile dezaminării asupra 5-hidroximetilcitozinei , pe de altă parte, rămân mai puțin înțelese.
In vitro
NH 2 gruparea poate fi îndepărtată (dezaminare) din 5-metilcitozină la forma Timina cu utilizarea reactivilor , cum ar fi acidul azotos ; citozina dezaminează în uracil (U) în condiții similare.
5-metilcitozina este rezistentă la dezaminare prin tratamentul cu bisulfit , care dezaminează reziduurile de citozină. Această proprietate este deseori exploatată pentru a analiza modelele de metilare a citozinei ADN cu secvențierea bisulfitului .
Adăugare și reglementare cu DNMT (eucariote)
Semnele de 5 mC sunt plasate pe ADN genomic prin ADN metiltransferaze (DNMT). Există 5 DNMT la om: DNMT1, DNMT2, DNMT3A, DNMT3B și DNMT3L, iar în alge și ciuperci sunt prezente încă 3 (DNMT4, DNMT5 și DNMT6). DNMT1 conține secvența de direcționare a focarelor de replicare (RFTS) și domeniul CXXC care catalizează adăugarea de mărci de 5 mC. RFTS direcționează DNMT1 către locurile de replicare a ADN-ului pentru a ajuta la menținerea a 5 mC pe firele fiice în timpul replicării ADN-ului, în timp ce CXXC conține un domeniu deget de zinc pentru adăugarea de novo a metilării la ADN. S-a constatat că DNMT1 este ADN-metiltransferaza predominantă în toate țesuturile umane. În primul rând, DNMT3A și DNMT3B sunt responsabile pentru metilarea de novo , iar DNMT1 menține marca 5mC după replicare. DNMT-urile pot interacționa între ele pentru a crește capacitatea de metilare. De exemplu, 2 DNMT3L pot forma un complex cu 2 DNMT3A pentru a îmbunătăți interacțiunile cu ADN-ul, facilitând metilarea. Modificările exprimării DNMT duc la metilare aberantă. Supraexpresia produce metilare crescută, în timp ce întreruperea enzimei a scăzut nivelul de metilare.
Mecanismul adăugării este după cum urmează: mai întâi un reziduu de cisteină pe motivul PCQ al DNMT creează un atac nucleofilic la carbonul 6 pe nucleotida citozinei care urmează să fie metilată. S-adenosilmetionina donează apoi o grupare metil carbonului 5. O bază din enzima DNMT deprotonează hidrogenul rezidual pe carbon 5 restabilind dubla legătură între carbonul 5 și 6 din inel, producând perechea de baze 5-metilcitozină.
Demetilare
După ce o citozină este metilată la 5mC, aceasta poate fi inversată înapoi la starea sa inițială prin mecanisme multiple. Demetilarea pasivă a ADN-ului prin diluare elimină semnul treptat prin replicare prin lipsa de întreținere de către DNMT. În demetilarea activă a ADN-ului, o serie de oxidări o transformă în 5-hidroximetilcitozină (5hmC), 5-formilcitozină (5fC) și 5-carboxilcitozină (5caC), iar ultimele două sunt în cele din urmă excizate de ADN timino glicozilaza (TDG), urmată prin repararea exciziei de bază (BER) pentru a restabili citozina. Eliminarea TDG a produs o creștere de 2 ori de 5 fC fără nicio modificare semnificativă statistic la niveluri de 5 hmC, indicând că 5 mC trebuie oxidate iterativ cel puțin de două ori înainte de demetilarea sa completă. Oxidarea are loc prin familia Tox (zece-unsprezece translocații) dioxigenazele ( enzimele TET ) care pot transforma 5mC, 5hmC și 5fC în formele lor oxidate. Cu toate acestea, enzima are cea mai mare preferință pentru 5mC, iar viteza de reacție inițială pentru conversiile de 5hmC și 5fC cu TET2 este de 4,9-7,6 ori mai lentă. TET necesită Fe (II) ca cofactor și oxigen și α-cetoglutarat (α-KG) ca substraturi, iar ultimul substrat este generat din izocitrat de enzima izocitrat dehidrogenază (IDH). Cu toate acestea, cancerul poate produce 2-hidroxiglutarat (2HG) care concurează cu α-KG, reducând activitatea TET și, la rândul său, reducând conversia de 5mC la 5hmC.
Rolul la oameni
În cancer
În cancer, ADN-ul poate deveni atât metilat excesiv, denumit hipermetilare , cât și submetilat, denumit hipometilare. Promotorii genelor care se suprapun în insulele CpG sunt de novo metilate rezultând inactivarea aberantă a genelor asociate în mod normal cu inhibarea creșterii tumorilor (un exemplu de hipermetilare). Comparând țesutul tumoral și cel normal, primele au prezentat niveluri ridicate ale metiltransferazelor DNMT1, DNMT3A și în principal DNMT3B, toate acestea fiind asociate cu niveluri anormale de 5mC în cancer. Repetarea secvențelor din genom, inclusiv ADN satelit, Alu și elemente cu dispersie lungă (LINE), sunt adesea văzute hipometilate în cancer, rezultând în exprimarea acestor gene normal reduse la tăcere, iar nivelurile sunt adesea markeri semnificativi ai progresiei tumorii. S-a emis ipoteza că există o legătură între hipermetilare și hipometilare; supraactivitatea ADN metiltransferazelor care produc metilarea anormală de novo 5mC poate fi compensată prin îndepărtarea metilării, un tip de reparare epigenetică. Cu toate acestea, îndepărtarea metilării este ineficientă, rezultând o depășire a hipometilării la nivelul genomului. Poate fi și contrariul; supraexprimarea hipometilării poate fi redusă la tăcere prin hipermetilare la nivelul genomului. Capacitățile distinctive ale cancerului sunt probabil dobândite prin modificări epigenetice care modifică 5mC atât în celulele canceroase, cât și în stroma asociată tumorii înconjurătoare în microambientul tumorii. S- a raportat că medicamentul anticancer Cisplatin reacționează cu 5mC.
Ca biomarker al îmbătrânirii
"Epoca epigenetică" se referă la legătura dintre vârsta cronologică și nivelurile de metilare a ADN-ului în genom. Cuplarea nivelurilor de metilare a ADN-ului, în seturi specifice de CpG numite „CpG-uri de ceas”, cu algoritmi care regresează nivelurile tipice de metilare colectivă la nivelul genomului la o anumită vârstă cronologică, permit predicția epigenetică a vârstei. În timpul tinereții (0-20 de ani), modificările metilării ADN-ului apar mai rapid pe măsură ce dezvoltarea și creșterea progresează, iar modificările încep să încetinească la vârste mai înaintate. Există mai mulți estimatori epigenetici ai vârstei. Ceasul lui Horvath măsoară un set multi-țesut de 353 CpG, dintre care jumătate se corelează pozitiv cu vârsta, iar cealaltă jumătate negativ, pentru a estima vârsta epigenetică. Ceasul lui Hannum utilizează probe de sânge pentru adulți pentru a calcula vârsta pe baza ortogonală de 71 CpG. Ceasul lui Levine, cunoscut sub numele de DNAm PhenoAge, depinde de 513 CpG și depășește ceilalți estimatori de vârstă în prezicerea mortalității și a duratei de viață, totuși afișează părtinire cu țesuturi non-sanguine. Există rapoarte ale estimatorilor de vârstă cu starea de metilare a unui singur CpG în gena ELOVL2. Estimarea vârstei permite predicția duratei de viață prin așteptările condițiilor legate de vârstă la care indivizii pot fi supuși pe baza markerilor lor de metilare de 5 mC.
Referințe
Literatură
- Griffiths, Anthony JF (1999). O introducere în analiza genetică . San Francisco: WH Freeman. Capitolul 15: Mutația genică. ISBN 0-7167-3520-2.( disponibil online la Centrul Național pentru Informații despre Biotehnologie din Statele Unite )