miniatura|300px|Ilustración dunha molécula de ADN que é metilada nas dúas citosinas do centro. A metilación do ADN xoga un importante papel na regulación xénica epixenética durante o desenvolvemento e enfermidades.
A metilación do ADN é un proceso polo cal se engaden grupos metilo ao ADN. A metilación modifica a función do ADN, actuando normalmente para suprimir a transcrición de xenes. A metilación do ADN é esencial para o desenvolvemento normal e está asociada cun número de procesos clave como a impronta xenómica, inactivación do cromosoma X, supresión dos elementos repetitivos, e a carcinoxénese.
Poden metilarse dous dos catro nucleótidos do ADN, a citosina e a adenina. A metilación da adenina está restrinxida aos procariotas. A taxa de metilación da citosina do ADN difire moito entre especies: o 14% das citosinas están metilads na planta Arabidopsis thaliana, o 4% no rato Mus musculus, o 2,3% na bacteria Escherichia coli, o 0,03% na mosca Drosophila, e practicamente ningún (< 0,0002%) en especies de lévedos.
A metilación do ADN pode alterar de forma estable a expresión de xenes nas células a medida que estas se dividen e diferencian a partir de células nai embrionarias en tecidos específicos. O cambio resultante é normalmente permanente e unidireccional, o que impide que a célula reverta a unha célula nai ou se converta nun tipo celular diferente. Porén, a metilación do ADN pode ser eliminada tanto pasivamente, por dilución durante a división celular, coma por un proceso activo e máis rápido. Este último proceso prodúcese por hidroxilación dos grupos metilo que van ser anulados, en vez de por unha completa eliminación de grupos metilo. A metilación do ADN elimínase normalmente durante a formación do cigoto e restablécese por medio de sucesivas divisións celulares durante o desenvolvemento. As modificacións na metilación que regulan a expresión xénica son xeralmente herdables por medio da división mitótica. Parte da metilación pode herdarse tamén a través de divisións meióticas que orixinan os óvulos e espermatozoides, o que ten como resultado a impronta xenómica. A metilación do ADN suprime a expresión de xenes retrovirais endóxenos e outros segmentos nocivos de ADN que se incorporaron ao xenoma do hóspede no decurso do tempo. A metilación do ADN tamén constitúe a base da estrutura da cromatina, o cal permite que unha célula se transforme en múltiples órganos ou realice diferentes funcións. A metilación do ADN xoga un papel crucial no desenvolvemento de case todos os tipos de cancro.
A metilación do ADN na posición 5 da citosina ten o efecto específico de reducir a expresión xénica e atopouse en todos os vertebrados que se examinaron. En células somáticas adultas (células non reprodutoras), A metilación do ADN ocorre tipicamente no contexto do dinucleótido CpG; a metilación non-CpG é común en células nai embrionarias, e tamén se atopou no desenvolvemento neural.
En mamíferos
Nos mamíferos entre o 60% e o 90% de todos os dinucleótidos CpGs están metilados. Co tempo, os residuos de C metilados espontaneamente desamínanse para formar residuos de T; por tanto, os dinucleótidos CpG desamínanse establemente a dinucleótidos TpG, o cal se pon en evidencia pola subrepresentación de dinucleótidos CpG no xenoma humano (aparecen só co 21% da frecuencia esperada). (Por outra parte, a desaminación espontánea de residuos de C non metilados dá lugar a residuos de U, un cambio que é rapidamente recoñecido e reparado pola célula.)
A metilación do ADN ten como diana diferentes áreas do xenoma en diferentes organismos, e ten funcións diferentes. Por exemplo, o patrón de metilación do ADN en mamíferos ten xeralmente unha distribución uniforme polos sitios CpG (con excepcións). Porén, en invertebrados obsérvase o contrario: os patróns de metilación CpG están agrupados en clusters.
As CpGs non metiladas están a miúdo agrupadas en grupos chamados illas CpG, as cales están presentes nas rexións reguladoras 5' de moitos xenes. En moitos procesos de enfermidades, como o cancro, as illas CpG do promotor do xene adquiren unha hipermetilación anormal, o cal ten como resultado un silenciamento transcricional que poden herdar as células fillas resultantes da división celular. As alteracións da metilación do ADN considéranse un importante compoñente do desenvolvemento do cancro. A hipometilación, en xeral, orixínase antes e está ligada á inestabilidade cromosómica e perda de impronta, mentres que a hipermetilación está asociada cos promotores e pode orixinarse secundariamente ao silenciamento dun xene (supresor de oncoxene), e podería ser unha diana da terapia epixenética.
A metilación do ADN pode afectar á transcrición de xenes e dous modos. Primeiro, a propia metilación do ADN pode impedir fisicamente a unión de factores proteicos transcricionais do xene, e en segundo lugar, e probablemente máis importante, ao ADN metilado poden unirse proteínas chamadas proteínas de dominio de unión a metil-CpG (MBDs). Despois, as proteínas MBD recrutan proteínas adicionais no locus, como poden ser histona desacetilases e outras proteínas remodeladoras da cromatina que poden modificar as histonas, que dese xeito forman unha cromatina compacta e inactiva denominada heterocromatina. Este vínculo entre a metilación do ADN e a estrutura da cromatina é moi importante. En concreto, a perda de MBD 2 (MeCP2) foi implicada na síndrome ded Rett; e a MBD2 funciona como mediadora no silenciamento transcricional de xenes hipermetilados no cancro.
As investigacións realizadas suxiren que nos humanos a memoria de almacenamento a longo prazo pode ser regulada pola metilación do ADN.
Os niveis de metilación do ADN poden utilizarse para estimar a idade, xa que son un reloxo biolóxico en humanos e chimpancés.
No cancro A metilación do ADN é un importante regulador da transcrición de xenes e hai moitas probas que demostran que os xenes con altos niveis de 5-metilcitosina nas súas rexións promotoras son silenciosos transcricionalmente, e que a metilación do ADN se acumula gradualmente durante o silenciamento xénico a longo prazo. A metilación do ADN é esencial durante o desenvolvemento embrionario, e nas células somáticas, os patróns de metilación do ADN transmítense xeralmente ás células fillas con gran fidelidade. Os patróns de metilación do ADN anormais (hipermetilación e hipometilación comparadas coas do tecido normal) foron asociadas con gran número de tumores malignos humanos. A hipermetilación aparece tipicamente nas illas CpG na rexión promotora e está asociado coa inactivación de xenes. Un nivel máis baixo de metilación no ADN de leucocitos está asociado con moitos tipos de cancro. A hipometilación global foi tamén implicada no desenvolvemento e progresión de cancros por medio de diferentes mecanismos. Tipicamente, hai hipermetilación de xenes supresores de tumores e hipometilación de oncoxenes.
Na aterosclerose
As modificacións epixenéticas como a metilación do ADN foron implicadas en doenzas cardiovasculares, como a aterosclerose. En modelos animais de aterosclerose, o tecido vascular e células sanguíneas como as monomorfonucleares mostran unha hipermetilación gobal con áreas de hipermetilación específicas de xenes. Os polimorfismos na metilación do ADN poden utilizarse como un biomarcador temperán da aterosclerose, xa que aparecen antes de que se se observen as lesións, o cal pode servir como unha ferramenta para a detección temperá e prevención do risco.
Dous dos tipos celulares afectados por polimorfismos na metilación do ADN son os monocitos e os linfocitos, os cales sofren unha hipometilación global. Un mecanismo que se propuxo que está na base desta hipometilación global é que os niveis elevados de homocisteína causan hiperhomocisteinemia, que é un factor coñecido de risco nas doenzas cardiovasculares. Os niveis plasmáticos altos de homocisteína inhiben as ADN metiltransferases, o que causa hipometilación. A hipometilación do ADN afecta a xenes que alteran a proliferación de células musculares lisas, causan a disfunción das células endoteliais, e incrementan os mediadores inflamatorios, todos os cales son esenciais na formación de lesións ateroscletóticas. Os niveis altos de homocisteína tamén teñen como resultado a hipermetilación de illas CpG na rexión promotora do xene do receptor de estróxenos alfa (ERα), o que causa a súa regiulación á baixa. O ERα protexe contra a aterosclerose debido á súa acción como supresor do crecemento, causando que as células musculares lisas prmanezan en estado quiescente. A hipermetilación do promotor do xene do ERα permite así que as células musculares lisas da íntima do vaso sanguíneo proliferen excesivamente e contribúan ao desenvolvemento da lesión aterosclerótica.
Outro xene que experimenta cambios na súa metilación na aterosclerose é o do transportador de monocarboxilatos (MCT3), que produce unha proteína responsable do transporte de lactato e corpos cetónicos ao exterior de moitos tipos de células, como as células musculares lisas vasculares. Nos pacientes de aterosclerose obsérvase un aumento na metilación das illas CpG no exón 2 do xene, o que fai decrecer a expresión da proteína MCT3. A regulación á baixa do MCT3 afecta ao transporte de lactato, e incrementa significativamente a proliferación de células musculares lisas, o cal contribúe á lesión aterosclerótica. Un experimento ex vivo utilizando o axente desmetilante decitabina (5-aza-2 -desoxicitidina) induciu a expresión de MCT3 de maneira dependente da dose, porque todos os sitios hipermetilados na illa CpG do exón 2 quedaron desmetilados despois do tratamento. Isto fai pensar que pode servir como un novo axente terapéutico para tratar a aterosclerose, aínda que non se realizaron polo momento estudos en humanos.
No envellecemento
Un estudo lonxitudinal de irmáns xemelgos atopou que entre as idades de 5 a 10 anos, había unha diverxencia nos patróns de metilación debido a influencias ambientais e non xenéticas. Hai unha perda global de metilación do ADN a medida que envellecemos. Porén, algúns xenes vanse hipermetilando coa idade, entre os que están os xenes do receptor de estróxenos, p16, e do IGF-2. Os reloxos biolóxicos como os reloxos epixenéticos, son uns prometedores biomarcadores do envellecemento.Jones, M. J., Goodman, S. J. and Kobor, M. S. (2015), DNA methylation and healthy human aging. Aging Cell.
No exercicio
O exercicio de grande intensidade causa unha redución na metilación do ADN no músculo esquelético. A metilación do promotor dos xenes PGC-1α e PDK4 redúcese inmediatamente despois de realizar exercicio de grande intensidade, mentres que a metilación do PPAR-γ non se reduce ata tres horas despois de realizado o exercicio. Ao contrario, seis meses despois do exercicio en homes de mediana idade previamente sedentarios o resultado foi un incremento na metilación no tecido adiposo.
ADN metiltransferases
En células de mamífero, a metilación do ADN dáse principalmente na posición C5 dos dinucleótidos CpG e lévase a cabo por medio de dúas grandes clases de actividades encimáticas: metilación de mantemento e metilación de novo.Gratchev, Alexei. Review on DNA Methylation. (n.d.) Retrieved from http://www.methods.info/Methods/DNA_methylation/Methylation_review.html
A actividade de metilación de mantemento é necesaria para preservar a metilación do ADN despois de cada ciclo de replicación celular. Sen as ADN metiltransferases (DNMT), a maquinaria de replicación produciría febras fillas non metiladas e, co tempo, isto orixinaría unha desmetilación pasiva. A DNMT1 é a metiltransferase de mantemento proposta que é responsable de copiar os patróns de metilación do ADN nas febras fillas durante a replicación do ADN. Os modelos de ratos nos que se fixo unha deleción de ambas as copias da DNMT1 son letais na etapa embrional aproximadamente ao 9º día, debido a que cómpre a actividade da DNMT1 para o desenvolvemento en células de mamíferos.