Metilarea ADN-ului

miniatura|300x300px| Reprezentarea unei molecule de ADN metilată. Cele două sfere albe reprezintă grupări metil ce s-au legat la grupări de citozină. Metilarea ADN-ului este un proces biologic prin care grupele metil sunt adiționate la molecula de ADN. Metilarea poate modifica activitatea unui segment de ADN fără a-i modifica secvența. Când este localizată într-un promotor al genei, metilarea ADN-ului acționează, de obicei, pentru a reprima transcripția genei respective. La mamifere, metilarea ADN-ului este esențială pentru dezvoltarea normală și este asociată cu o serie de procese cheie, precum: amprenta genomică, inactivarea cromozomului X, reprimarea elementelor transpozabile, îmbătrânirea și carcinogeneza.

Până în prezent, se cunosc două nucleobaze pe care are loc metilarea naturală, enzimatică, a ADN-ului: adenina și citozina. Bazele modificate sunt N6-metiladenina,D. B. Dunn, J. D. Smith: "The occurrence of 6-methylaminopurine in deoxyribonucleic acids". In: Biochem J. 68(4), Apr 1958, S. 627–636. PMID 13522672. . 5-metilcitozina și N4-metilcitozina.Melanie Ehrlich, Miguel A. Gama-Sosa, Laura H. Carreira, Lars G. Ljungdahl, Kenneth C. Kuo, Charles W. Gehrke: "DNA methylation in thermophilic bacteria: N6-methylcytosine, 5-methylcytosine, and N6-methyladenine." In: Nucleic Acids Research. 13, 1985, S. 1399. PMID 4000939. . Baza nemodificata108x108px109x109px Adenina, A Citozina, C Formele metilate125x125px125x125px130x130px N6-metiladenină, 6mA 5-metilcitozină, 5mC N4-metilcitozină, 4mC N.B. În cazul citozinei, numerotarea se realizează în sensul contrar acelor de ceasornic, începând de la atomul de azot poziționat la ora 6. În cazul adeninei, numerotarea se în același mod, însă începând de la atomul de azot poziționat la ora 2. Pentru conveniență, în locul denumirilor complete, se pot folosi prescurtările: 6mA, 5mC și 4mC. Metilarea citozinei este larg răspândită atât la eucariote, cât și la procariote, chiar dacă rata de metilare variază semnificativ între specii: 14% din citozine sunt metilate la Arabidopsis thaliana, între 4% și 8% la Physarum, 7,6% la șoarecele de casă, 2,3% la Escherichia coli, 0,03% la Drosophila; metilarea este nedetectabilă în Dictyostelium; și practic absentă (metilare între 0,0002% și 0,0003%) la genul Caenorhabditis sau la ciuperci precum Saccharomyces cerevisiae și S. pombe (dar nu și la N. crassa). Metilarea adeninei a fost observată în bacterii, plante și, recent, în mamifere, dar a fost mai puțin cercetată.

Metilarea citozinei pentru a forma 5-metilcitozină are loc în aceeași poziție (5) pe inelul pirimidinic unde este localizată gruparea metil a timinei; aceeași poziție distinge timina de baza analogă a ARN-ului uracilul, care nu are gruparea metil. Dezaminarea spontană a 5-metilcitozinei duce la formarea de timină. Aceasta are ca rezultat o nepotrivire de baze azotate T:G (timina mereu se împerechează cu adenina, și guanina mereu se împerechează cu citozina). Mecanismele de reparare ale ADN-ului corectează nepotrivirea înapoi la perechea originală C:G; alternativ, ele pot înlocui G cu A, transformând perechea T:G într-o pereche T:A, schimbând efectiv o bază și introducând o mutație. Această bază greșită încorporată nu va fi corectată în timpul replicării ADN-ului. Dacă celula intră în ciclul celular, mutația devine permanentă. Utilizarea aproape universală a timinei exclusiv în ADN, și a uracilului exclusiv în ARN, poate să fi evoluat ca un mecanism de control al erorilor, pentru a facilita îndepărtarea bazelor azotate de uracil generate de dezaminarea spontană a citozinelor.Angéla Békési and Beáta G Vértessy "Uracil in DNA: error or signal?" S-a considerat că metilarea ADN-ului, precum și multe dintre metiltransferazele contemporane, au evoluat din activitatea primitivă de metilare a ARN-ului, ipoteza fiind susținută de o serie de dovezi.

La plante și alte organisme, metilarea ADN-ului se găsește în trei contexte de secvențe: CG (sau CpG, unde p semnifică legătura fosfodiesterică între C și G), CHG sau CHH (unde H poate fi: A, T sau C). La mamifere însă, metilarea ADN-ului se găsește aproape exclusiv în dinucleotidele CpG, citozinele de pe ambele catene fiind de obicei metilate. Metilarea non-CpG poate fi totuși observată în celulele stem embrionare, având rol în dezvoltarea neuronală. În plus, metilarea non-CpG a fost observată și în celulele progenitoare hematopoietice, în special în secvența CpApC.

Funcția conservată de metilare a ADN-ului miniatura|458x458px| Peisaj tipic de metilare a ADN-ului la mamifere Profilul de metilare al ADN-ului vertebratelor este diferit de cel al altor organisme. La mamifere, aproximativ 75% din dinucleotidele CpG sunt metilate în celulele somatice, metilarea ADN-ului aparând ca o stare implicită. În contrast, genomul majorității plantelor, nevertebratelor, ciupercilor sau protistelor prezintă modele de metilare „mozaicate”, fiind caracterizat prin alternanța domeniilor metilate și nemetilate. Supplemental figures appear to be only accessible via the science.sciencemag.org paywall. miniatura| Metilarea citozinei apoi dezaminarea la timină Rata ridicată de metilare a secvențelor CpG din genomul mamiferelor are un cost evolutiv, deoarece crește probabilitatea mutațiilor spontane. Pierderea grupărilor amino are loc cu o frecvență ridicată pentru citozine, având consecințe diferite în funcție de metilarea acestora. Astfel, citozinele metilate, prin dezaminare spontană, formează timine; prin urmare, dinucleotidele CpG se transformă în mod constant la dinucleotide TpG, ceea ce este evidențiat de subreprezentarea dinucleotidelor CpG în genomul uman (acestea apar la doar 21% din frecvența așteptată). Dezaminarea citozinelor nemetilate însă, transformă acestea în uracili care sunt rapid recunoscuți, procedându-se la repararea ADN-ului de către celulă.

Insule CpG La mamifere, singura excepție pentru această epuizare globală a secvențelor CpG rezidă într-o categorie specifică de secvențe bogate în GC, și CpG, numite insule CpG, care rămân, în general, nemetilate și, prin urmare, păstrează conținutul originar de CpG. Insulele CpG sunt definite pe baza următoarelor criterii:

1) au o lungime mai mare de 200 bp,

2) un conținut de secvențe G+C în proporție mai mare de 50% din total,

3) raportul dintre CpG observat și așteptat mai mare de 0,6, deși uneori sunt folosite și alte definiții.

Excluzând insulele ce se repetă, există aproximativ 25.000 de insule CpG în genomul uman, dintre care 75% au o lungime mai mică de 850 bp. Ele sunt unități de regulare majore și aproximativ 50% din insulele CpG sunt situate în regiunile promotoare ale genelor, în timp ce alte 25% se află în corpurile genice, servind adesea ca promotori alternativi. Reciproc, aproximativ 60-70% dintre genele umane au o insulă CpG în regiunile lor promotoare. Majoritatea insulelor CpG sunt nemetilate și facilitează interacțiunea cu histonele subiacente, cum ar fi metilarea H3K4. În țesuturile somatice, doar 10% din insulele CpG sunt metilate, majoritatea fiind situate în regiuni intergenice și intragenice. [ necesită citare ]

Reprimarea promotorilor denși CpG Metilarea ADN-ului a fost, probabil, prezentă într-o oarecare măsură la eucariotele timpurii. Practic, în fiecare organism analizat, metilarea la nivelul regiunilor promotoare se corelează negativ cu expresia genelor respective. Supplemental figures appear to be only accessible via the science.sciencemag.org paywall. Promotorii CpG-densi ai genelor transcrise activ nu sunt niciodată metilați, dar, pe de altă parte, există și genele silențioase din punct de vedere transcripțional care nu poartă promotori metilați. La șoarece și la om, aproximativ 60-70% dintre gene au o insulă CpG în regiunile lor promotoare și majoritatea acestor insule CpG rămân nemetilate, independent de activitatea transcripțională a genei, atât în celulele diferențiate, cât și în cele nediferențiate. În timp ce metilarea insulelor CpG este neîndoielnic legată de reprimarea transcripțională, metilarea promotorilor săraci în CG rămâne neclară; ar putea fi irelevantă din punct de vedere funcțional.

Metilarea ADN-ului poate afecta transcrierea genelor în două moduri. În primul mod, metilarea în sine poate împiedica fizic legarea proteinelor transcripționale la genă, și în al doilea mod, și probabil mai important decât primul, ADN-ul metilat se poate lega de proteine ce conțin domeniul de legare a metil-CpG (MBD). Proteinele MBD recrutează apoi proteine suplimentare în locus-ul respectiv, cum ar fi histon-deacetilazele și alte proteine de remodelare a cromatinei cu efect asupra histonelor, formând astfel o cromatină compactă, inactivă, numită heterocromatină. Această legătură între metilarea ADN-ului și structura cromatinei este foarte importantă. De exemplu, anumite protooncogene sunt în acest fel oprite de la transcripție (i.e. devin gene silențioase). A se vedea sindromul Rett.

Reprimarea elementelor transpozabile Metilarea ADN-ului este un mijloc important de represiune transcripțională, cel puțin în contextul promotorilor denși CpG. Reprimarea transcripțională a genelor pare limitată la clase foarte specifice de gene, care trebuie să rămână permanent silențioase, în aproape toate țesuturile. Deși metilarea ADN-ului nu deține flexibilitatea necesară pentru reglarea fină a transcripției genelor, stabilitatea oferită este ideală pentru asigurarea reprimării transcripționale permanente a elementelor transpozabile. Controlul transpozonilor reprezintă una dintre cele mai vechi funcții ale metilării ADN-ului, regăsindu-se la animale, plante și mai mulți protiști. Unii sugerează că metilarea ADN-ului a evoluat tocmai pentru acest scop.

Expansiunea genomului Se cunoaște că metilarea ADN-ului elementelor transpozabile a fost un mijloc de expansiune a genomului. Cu toate acestea, motorul evolutiv pentru expansiunea genomului rămâne necunoscut. Există o corelație clară între dimensiunea genomului și prezența CpG, ceea ce sugerează că metilarea ADN-ului elementelor transpozabile a dus la o creștere vizibilă a masei ADN-ului.

Metilarea corpurilor genelor frecvent transcrise O funcție care pare chiar mai bine conservată decât reprimarea transpozonilor, este reprezentată de corelarea pozitiă cu expresia genică. La aproape toate speciile unde este prezentă metilarea ADN-ului, aceasta se găsește în special în corpul genelor frecvent transcrise. Supplemental figures appear to be only accessible via the science.sciencemag.org paywall. Funcția aceasta nu este bine înțeleasă. O serie de dovezi sugerează că ar putea regla matisarea și suprima activitatea unităților transcripționale intragene (promotori criptici sau elemente transpozabile). Metilarea corpului genei pare strâns legată de metilarea H3K36. La drojdii și mamifere, metilarea H3K36 este abudentă în corpurile genelor frecvent transcrise. În drojdie, H3K36me3 recrutează enzime, precum histon-deacetilaze, pentru a comprima cromatina, prevenind activarea siturilor de pornire criptice (v. mai sus Reprimarea promotorilor denși CpG). La mamifere, enzimele DNMT3a și DNMT3b se leagă de H3K35me3 prin intermediul domeniului PWWP. [ necesită citare ]

La mamifere miniatura|455x455px| Dinamica metilării ADN-ului în timpul dezvoltării embrionare a șoarecelui. E3.5-E6 etc., se referă la zilele după fertilizare. Gradația verticală măsoară procentele din secvențele (liniare) CpG ce sunt metilate. PGC: celule germinale primordiale.

În timpul dezvoltării embrionare

Metilarea ADN-ului

Źródło i licencja