ДНК-метилтрансфераза

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

ДНК-метилтрансфера́зы (ДНК-метилазы, англ. DNA methyltransferase, DNA MTase, DNMT) — группа ферментов, катализирующих метилирование нуклеотидных остатков в составе ДНК. Активность метилтрансфераз, заключающаяся в (переносе метильных (CH3—) групп) на азотистое основание цитозин в составе ДНК, ведет к изменению свойств ДНК, при этом изменяется активность, функции соответствующих генов, а также пространственная структура нуклеиновой кислоты (конформация).

ДНК-метилтрансферазной активностью обладают несколько групп ферментов[источник не указан 1720 дней]:

Все известные ДНК-метилтрансферазы используют в качестве донора метильной группы S-аденозил-метионин.

Цитозин(C5)-ДНК-метилтрансферазы катализируют перенос метильной группы от S-аденозил-метионина на остаток цитозина, находящегося в специфической последовательности в двухцепочечной ДНК, с образованием 5-метилцитозина и S-аденозилгомоцистеина. Эта реакция необратима. Сравнение структуры прокариотических и эукариотических ДНК-метилтрансфераз позволяет отнести их к одному классу ферментов. Все эти ферменты представляют собой мономерные белки, содержащие консервативные гомологичные участки (мотивы), ответственные за ферментативные функции. У большинства цитозин(C5)-ДНК-метилтрансфераз насчитывают до 10-ти таких участков. Среди них различают 4 умеренногомологичных мотива (II, III, V, VII), которые могут отсутствовать у некоторых ферментов, и 6 высокогомологичных мотивов (I, IV, VI, VIII, IX, X). Между участками VIII и IX расположен домен TRD (target-recognizing domen, мишень-распознающий домен), длина и аминокислотный состав которого вариабельны.

Эукариотические ДНК-метилазы выполняют функцию поддержания метилирования[источник не указан 1720 дней]. После репликации ДНК данные ферменты метилируют цитозин по сайтам CpG и CpNpG во вновь синтезированных цепях. ДНК-метилтрансферазы эукариот способны, хотя и с меньшей эффективностью, производить метилирование ДНК de novo.

Субстратная специфичность ДНК-метилтрансфераз семейства DNMT1. Полуметилированный дуплекс определяет метилирование цитозина в нижней цепи. Наличие пары *С с гуанином в верхней цепи необязательно. Асимметричный сайт узнавания заключён в рамку

ДНК-метилтрансферазы млекопитающих[править | править вики-текст]

У млекопитающих обнаружены четыре активных ДНК-метилтрансферазы: DNMT1, DNMT2 (TRDMT1), DNMT3a и DNMT3b[источник не указан 1720 дней]. Также обнаружен белок, структурно схожий с семейством DNMT3, но не проявляющий метилтрансферазной активности — DNMT3L (DNMT3-like).

Семейство DNMT1[править | править вики-текст]

ДНК-метилтрансфераза семейства DNMT1 мыши представляет собой белок с молекулярной массой 190 кДа, содержащий 1620 аминокислотных остатков. Основная активность этого фермента заключается в метилировании полуметилированных сайтов CpG. Молекула ДНК-метилтрансферазы DNMT1 значительно больше прокариотического фермента за счёт наличия N-концевого регуляторного участка, составляющего ²/3 от всей длины полипептидной цепи. Именно этот участок отвечает за «предпочтение» ферментом полуметилированных сайтов перед неметилированными. Регуляторный N-концевой участок соединён с каталитическим C-концевым при помощи Gly-Lys-повторов. Считается, что ген dnmt1 образовался путём слияния гена прокариотической ДНК-метилазы с одним или двумя генами ДНК-связывающих белков.

Белки, ассоциированные с ДНК-метилтрансферазами (Buryanov, Shevchuk, 2005)
ДНК-метил-
трансфераза
Ассоциированный
белок
Функция
ассоциированного белка
DNMT1 DNMT3a метилирование ДНК
de novo
DNMT3b та же
HDAC1 деацетилаза гистонов
HDAC2 та же
SUV39H1 метилтрансфераза
гистона H3 (Lys9)
Rb опухолевый супрессор
PML-RAR онкогенный
транскрипционный фактор
DMAP1 транскрипционный
корепрессор
hSNF2H белок, задействованный
в перестройках
хроматина
PCNA фактор
репликации ДНК
MBD2 связывание с
метилированными CpG
сайтами
MBD3 та же
MeCP2 та же
HP1β белок
гетерохроматина
РНК-полимераза II РНК-полимераза II
DNMT3a DNMT1 поддерживающее
метилирование ДНК
DNMT3L репрессор транскрипции
HDAC1 деацетилаза гистонов
SUV39H1 метилтрансфераза
гистона H3 (Lys9)
PML-RAR онкогенный
транскрипционный фактор
RP58 транскрипционный
корепрессор
HP1β белок
гетерохроматина
SUMO-1 убиквитинподобный
белок
DNMT3b DNMT1 поддерживающее
метилирование ДНК
DNMT3L репрессор транскрипции
HDAC1 деацетилаза гистонов
SUMO-1 убиквитинподобный
белок
DNMT3L DNMT3a метилирование ДНК
de novo
DNMT3b та же
HDAC1 деацетилаза гистонов
CMT3 гомолог HP1 белок
гетерохроматина

N-концевой домен содержит различные специфические последовательности, такие как сигнал ядерной локализации (NLS, nuclear localization signal), цистеин-богатый Zn-связывающий мотив и специальная последовательность, направляющая метилазу в область репликации ДНК (TRF, protein targeting to DNA replication foci). Фермент локализуется в областях репликации ДНК в течение S-фазы клеточного цикла, а после её завершения диффундирует в нуклеоплазму. Также N-концевой домен фермента DNMT1 содержит последовательность, гомологичную репрессору транскрипции HRX, с помощью которой ДНК-метилаза in vivo способна ассоциироваться с деацетилазой гистонов.

Человеческий фермент DNMT1 принципиально не отличается от мышиного.

Фермент DNMT1 имеет несколько изоформ: соматический DNMT1, промежуточный вариант (DNMT1b) и изоформа, характерная для ооцитов (DNMT1o). DNMT1o синтезируется и накапливается в цитоплазме ооцитов, а затем, во время раннего эмбрионального развития, транспортируется в клеточное ядро (соматический же DNMT1 постоянно локализуется в ядре).

Фермент может проявлять аномальную метилирующую активность, в частности, метилируя CpG-пары в области петли одноцепочечной ДНК, уже содержащей метилированные сайты CpG[источник не указан 1720 дней].

Инактивация мышиного фермента DNMT1 приводит к значительному (до 70 %) уменьшению метилирования генома и к гибели развивающихся эмбрионов на 10-11 день развития. Оставшийся уровень в 30 % и способность стволовых клеток к метилированию ретровирусной ДНК de novo обеспечиваются другими ДНК-метилтрансферазами.

Семейство DNMT2 (TRDMT1)[править | править вики-текст]

ДНК-метилтрансфераза DNMT2 состоит из 415-ти аминокислотных остатков и не содержит N-концевого регуляторного домена. Инактивация гена dnmt2 у стволовых клеток мышей не влияло на их способности к поддержанию картины метилирования генома и к метилированию de novo. Аминокислотная последовательность фермента сходна с последовательностями коротких ДНК-метилаз растений, грибов, прокариот. В 2006 году Goll и соавт. показали, что фермент производит метилирование тРНКAsp по цитозину-38 как in vivo, так и in vitro, и не метилирует ДНК. Чтобы отразить функцию фермента в названии, было решено переименовать его в TRDMT1 (tRNA aspartic acid methyltransferase 1, метилтрансфераза тРНК, транспортирующей аспарагиновую кислоту).

Семейство DNMT3[править | править вики-текст]

ДНК-метилтрансферазы DNMT3a и DNMT3b производят метилирование полуметилированных и неметелированных сайтов CpG с одинаковой скоростью. Человеческие DNMT3a и DNMT3b содержат 908 и 859 аминокислотных остатков, соответственно; ген dnmt3b может кодировать и меньшие полипептиды вследствие альтернативного сплайсинга. Гены dnmt3a и dnmt3b активно экспрессируются в недифференцированных эмбриональных стволовых клетках, тогда как в дифференцированных клетках уровень их экспрессии очень низкий. Инактивация этих генов у мышей приводила к гибели особей, в среднем, к четырёхнедельному возрасту.

DNMT3a активнее метилирует сайты CpG, чем CpA, CpT, и CpC. DNMT3a метилирует сайты CpG намного медленнее, чем DNMT1, но быстрее, чем DNMT3b. Несмотря на то, что функции ферментов DNMT3a и DNMT3b во многом перекрываются, имеются также и различия. Так, DNMT3b отвечает за метилирование сателлитных повторов в области центромерного линкера, а мутация гена dnmt3b у человека приводит к ICF-синдрому (immunodeficiency cenromeric instability, иммунодефицитная нестабильность центромер, аномалии лица). ICF-синдром — это редкое аутосомальное рецессивное генетическое заболевание, которое характеризуется дефектами иммунной системы и нарушением нормального строения лица. Синдром связан с нестабильностью центромерного гетерохроматина. При этом основные компоненты гетерохроматина, сателлитные участки DNA II и DNA III, оказываются недостаточно метилированы.

DNMT3L содержит DNA-метилтрансферазный мотив и является необходимым для эффекта материнского геномного импринтинга, оставаясь при этом каталитически неактивным (вследствие отсутствия некоторых ключевых участков, необходимых для осуществления катализа). DNMT3L экспрессируется при гаметогенезе, когда и происходит геномный импринтинг. Отсутствие DNMT3L ведет к биаллельной экспрессии генов, для которых в норме не характерна экспрессия материнского аллеля. DNMT3L взаимодействует с DNMT3a и DNMT3b в клеточном ядре. Хотя DNMT3L неспособен проводить метилирование, белок может принимать участие в репрессии транскрипции (в ассоциации с гистоновой деацетилазой).

ДНК-метилтрансферазы растений[править | править вики-текст]

Бактериальный фермент M. HhaI вместе с узнаваемым участком ДНК (фиолетовая спираль). Домен, распознающий мишень фермента образует специфический контакт с краями оснований в большой канавке молекулы ДНК. Большой каталитический домен (голубой) отвечает за перенос метильной группы от S-аденозил-L-метионина (AdoMet) на цитозин. Мишень — цитозин — полностью выворачивается из двойной спирали, глубоко погружаясь в активный центр фермента.

У растений обнаружено три семейства ДНК-метилтрансфераз.

Семейство Met1[править | править вики-текст]

ДНК-метилазы этого семейства сходны с ферментами семейства DNMT1 млекопитающих. У Arabidopsis thaliana (Резуховидка Таля) найдены 2 такие ДНК-метилтрасферазы: METI и METII. Эти белки отличаются от мышиного DNMT1 строением N-концевого домена. Метилазы, гомологичные METI Arabidopsis thaliana найдены у моркови и риса.

В это семейство входит и ген NtMETI табака (кодирует белок в 175 кДА, 1556 аминокислотных остатков), ген ДНК-метилтрансферазы гороха (кодирует белок с массой 174 кДа, 1554 аминокислотных остатков). Наиболее активны данные ферменты в клетках меристем растений.

Семейство хромометилаз (CMT)[править | править вики-текст]

Семейству принадлежат полиморфные ДНК-метилазы. Впервые открыты у Arabidopsis thaliana. Молекулы данных ферментов содержат между I и IV участками хромодомен в 80 аминокислотных остатков, отвечающий за взаимодействие со специфическими белками хроматина и с ядерной мембраной. Белки CMT3 Arabidopsis thaliana и Zmet2 кукурузы осуществляют поддерживающее метилирование ДНК по CpNpG и асимметричным сайтам. Выключение их активности ведёт к реактивации эндогенных транспозонов.

Хромометилазы характерны только для растений.

Семейство DRM[править | править вики-текст]

Семейство ДНК-метилаз, у которых консервативные мотивы переставлены местами и составлены в следующем порядке: VI—IX — X—I — II—III — IV—V. Отсюда и название семейства: domain rearranged methylases, DRM. Гены этих ферментов были найдены у Arabidopsis thaliana, кукурузы, сои. Несмотря на то, что функциональные мотивы перемешены, молекула формирует трёхмерную структуру, подобную прокариотической ДНК-метилтрансферазе HhaI. N-концевой домен содержит убиквитинсвязывающий участок, что создаёт возможность убиквитинирования этих ферментов. По функции эти ДНК-метилтрансферазы сходны с семейством DNMT3 млекопитающих, в частности, они также способны эффективно осуществлять метилирование ДНК de novo по асимметричным сайтам.

Другие ДНК-метилтрансферазы растений[править | править вики-текст]

Существуют и другие ДНК-метилтрансферазы растений, такие как METIII Arabidopsis thaliana, лишённая N-концевого домена.

Во отличие от животных, инактивация ДНК-метилтрансфераз у растений не ведёт к летальному эффекту, однако также приводит к аномалиям развития.

ДНК-метилтрансферазы грибов[править | править вики-текст]

ДНК-метилтрансферазы Ascobolus[править | править вики-текст]

У аскомицета Ascobolus обнаружены 2 гена: MASCI и MASK2. Первый кодирует белок с молекулярной массой 61,5 кДА, состоящий из 537 аминокислотных остатков[источник не указан 1720 дней]. Он содержит 10 консервативных мотивов, характерных для цитозин(С5)-метилтрасфераз, но отличается более коротким TRD между VIII и IX мотивом и N-концевым доменом, негомологичным таковому у DNMT1. Мутация в гене MASCI не влияет на поддерживающее метилирование ДНК, но нарушает метилирование de novo повторов в ДНК и приводит к стерильности штаммов, гомозиготных по данной мутации. Ген MASK2 Ascobolus принадлежит семейству DNMT1.

Выключение обоих генов не приводит к нарушению поддерживающего метилирования ДНК Ascobolus, что говорит о наличии ещё как минимум одного гена ДНК-метилтрансферазы[источник не указан 1720 дней].

ДНК-метилтрансфераза Neurospora crassa[править | править вики-текст]

У Neurospora crassa имеется один ген ДНК-метилтрансферазы — DIM-2. Белок DIM-2 отвечает за метилирование всего генома, его инактивация ведет к полному деметилированию ДНК Neurospora crassa. Белок состоит из 1454 аминокислотных остатков и принадлежит к семейству DNMT1. Нарушения экспрессии DIM-2 не приводят к заметным аномалиям в развитии гриба.

См. также[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

  1. Bestor T.H. The DNA methyltransferases of mammals. // Human Molecular Genetics, 2000, Vol. 9, No. 16 Review, pp. 2395–2402. PMID 11005794
  2. Buryanov Ya.I., Shevchuk T.V. DNA Methyltransferases and Structural-Functional Specificity of Eukaryotic DNA Modification. // Biochemistry (Moscow), Vol. 70, No. 7, 2005, pp. 730, translated from Biokhimiya, Vol. 70, No. 7, 2005, pp. 885. PMID 16097936
  3. Goll M.G., Kirpekar F., Maggert K.A., Yoder J.A., Hsieh C-L., Zhang X., Golic K.G., Jacobsen S.E., Bestor T.H. Methylation of tRNAAsp by the DNA Methyltransferase Homolog Dnmt2. // Science 311 (5759), 2006, pp. 395–398. PMID 16424344