» » » ДНК-метилтрансферазы


Метилирование ДНК является важным эпигенетическим процессом, в котором метильная группа добавляется к цитозиновым или гуаниновым нуклеотидам в геноме. ДНК-метилтрансферазы представляют собой ключевые ферменты в такой модификации ДНК, которая участвует в контроле транскрипции гена, поддержании стабильности генома и родительского импринтинга.

Эти ферменты переносят метильную группу из S-аденозилметионина в нуклеотидные остатки и могут быть использованы для получения метилированной ДНК в определенных местах. Моделирование метилирования цитозина у млекопитающих, по-видимому, контролируется сложным взаимодействием независимо кодируемых ДНК-метилтрансфераз: DNMT1, DNMT2, DNMT3A и DNMT3B.

DNMT1

DNMT1 является наиболее распространенной метилтрансферазой во взрослых соматических клетках. Она присоединяется к гемиметилированной ДНК (то есть ДНК, содержащей только одну метилированную клетку) в CpG-сайтах.

После репликации ДНК родительская цепь остается метилированной, тогда как вновь синтезированная нить таковой не является. Затем DNMT1 связывается с гемиметилированными сайтами CpG на вновь синтезированном образце и там он метилирует цитозин, тем самым поддерживая установленную картину метилирования CpG через митоз.

Эксперименты с мышами, нокаутными по DNMT1, показали, что DNMT1 необходим для правильного раннего развития эмбрионов, импринтинга и инактивации Х-хромосомы. Было также установлено, что чрезмерная экспрессия DNMT1 служит признаком злокачественных новообразований, таких как рак эндометрия и простаты.

DNMT2

Хотя DNMT2 разделяет сильную гомологию последовательностей с другими метилтрансферазами, этот фермент показывает едва заметную активность метилирования ДНК-цистеина, поэтому его точная роль в процессе метилирования ДНК остается неясной. Он обладает низкими уровнями экспрессии во всех тканях и инактивация гомологичного гена DNMT2 в эмбриональных стволовых клетках мыши не меняет содержание и метилирование ДНК.

Тем не менее было продемонстрировано, что DNMT2 может легко катализировать метилирование РНК. Учитывая, что как ДНК, так и РНК могут служить в качестве субстратов для этого фермента и что сродство ДНК к DNMT2 ниже, чем к РНК, считается, что DNMT2 может быть эволюционным продуктом, в котором метилтрансферазы корректируются от ДНК к мишени РНК.

Кроме того, метилирование тРНК влияет на стабильность и складывание их структуры. Такое метилирование тРНК может служить защитной функцией у млекопитающих. Гены, кодирующие подобную ДНК-метилазу, также были обнаружены у грибов и даже у растений.

Семейство DNMT3

DNMT3a и DNMT3b также известны как «de novo» метилтрансферазы, поскольку они не требуют связывания гемиметилированной ДНК и они показывают эквивалентное сродство к гемиметилированной и неметилированной ДНК. Оба фермента необходимы для раннего развития и потеря любого из них смертельна из-за массивной нестабильности хромосом.

Семейство DNMT3 также включает каталитически инертный элемент, образующийся во время гаметогенеза, известный как DNMT3L. Этот фермент имеет решающее значение для правильного развития и когда он связан либо с DNMT3a, либо с DNMT3b, он может увеличить свою каталитическую активность в 15 раз.

Сверхэкспрессия ферментов из этого семейства связана с канцерогенезом, что отражает тот факт, что как DNMT3a, так и DNMT3b имеют свой собственный уникальный набор функций или характеристик. Мутация DNMT3b (а не DNMT3a) имеет сильную корреляцию с иммунодефицитом, синдромом лицевых аномалий и центромерной нестабильностью.

Функции перекрытия

Вероятно, что все три DNMT обладают функциями обслуживания и поэтому они не могут быть функционально разделены. DNMT1 иногда может функционировать как «de novo» DNMT и его сверхэкспрессия может привести к «de novo» метилированию островков CpG. Аналогично, DNMT3a и DNMT3b могут выполнять роль поддерживающих ферментов.

Также доказано сотрудничество между DNMT1, DNMT3a и DNMT3b в обеспечении метилирования ДНК. Такое сотрудничество между DNMT также встречается в канцерогенезе, хотя в различных типах опухолей их экспрессия разнообразна.

Недавно было продемонстрировано, что DNMT также могут действовать как деметилазы. Этот ферментативный процесс зависит от ионов кальция и восстановительной среды. Повышенная концентрация ионов кальция в ранней зиготе (оплодотворенная яйцеклетка) совпадает с периодом активного деметилирования.

Важной задачей для будущих исследований является определение точной роли различных типов метилирования на сайте с помощью ДНК-метилтрансфераз в нормальном геноме и в болезни. Такая информация была бы полезна для прогнозирования, диагностики и лечения заболеваний, связанных с аномальным метилированием ДНК.