DNA metyltransferázy ( DNA metylázy, anglicky DNA methyltransferase, DNA MTase, DNMT ) jsou skupinou enzymů , které katalyzují metylaci nukleotidových zbytků v DNA . Aktivita methyltransferáz, která spočívá v přenosu methylových (CH 3 -) skupin na dusíkatou bázi cytosin v DNA, vede ke změně vlastností DNA, přičemž aktivita, funkce odpovídajících genů, jakož i změna prostorové struktury nukleové kyseliny ( konformace ).
Několik skupin enzymů má DNA methyltransferázovou aktivitu :
Všechny známé DNA methyltransferázy používají S-adenosyl-methionin jako donor methylové skupiny .
Cytosinové (C5)-DNA methyltransferázy katalyzují přenos methylové skupiny z S-adenosyl-methioninu na cytosinový zbytek umístěný ve specifické sekvenci ve dvouvláknové DNA , za vzniku 5-methylcytosinu a S - adenosylhomocysteinu . Tato reakce je nevratná. Srovnání struktury prokaryotických a eukaryotických DNA metyltransferáz umožňuje jejich zařazení do stejné třídy enzymů . Všechny tyto enzymy jsou monomerní proteiny obsahující konzervované homologní oblasti ( motivy ) zodpovědné za enzymatické funkce. Většina cytosin(C5)-DNA methyltransferáz má až 10 takových míst. Mezi nimi jsou 4 středně homologní motivy (II, III, V, VII), které mohou u některých enzymů chybět, a 6 vysoce homologních motivů (I, IV, VI, VIII, IX, X). Mezi sekcemi VIII a IX je doména TRD (doména rozpoznávající cíl, doména rozpoznávající cíl), jejíž délka a složení aminokyselin jsou variabilní.
Po replikaci DNA methylázy eukaryotické DNA methylují cytosin v místech CpG a CpNpG v nově syntetizovaných vláknech. Dále eukaryotické DNA methylázy plní funkci udržování methylace. de novo metylace DNA na již označených místech.
U savců byly nalezeny čtyři aktivní DNA methyltransferázy : DNMT1, DNMT2 (TRDMT1), DNMT3a a DNMT3b. . Byl také nalezen protein strukturně podobný rodině DNMT3, ale nevykazující methyltransferázovou aktivitu, DNMT3L (podobný DNMT3 ) .
Rodina myší DNA methyltransferázy DNMT1 je 190 kDa protein obsahující 1620 aminokyselinových zbytků . Hlavní aktivitou tohoto enzymu je methylace hemimethylovaných CpG míst. Molekula DNA methyltransferázy DNMT1 je mnohem větší než prokaryotický enzym díky přítomnosti N-terminální regulační oblasti, která je 2/3 celé délky polypeptidového řetězce. Právě toto místo je zodpovědné za „upřednostňování“ hemimetylovaných míst enzymem před nemethylovanými. Regulační N-koncová oblast je připojena ke katalytické C-koncové oblasti pomocí repetic Gly - Lys . Předpokládá se, že gen dnmt1 vznikl fúzí genu prokaryotické DNA metylázy s jedním nebo dvěma geny pro proteiny vázající DNA .
| DNA methyl transferáza |
Přidružený protein |
Přidružená funkce proteinu |
|---|---|---|
| DNMT1 | DNMT3a | de novo methylace DNA |
| DNMT3b | stejný | |
| HDAC1 | histon deacetyláza | |
| HDAC2 | stejný | |
| SUV39H1 | histon methyltransferáza H3 (Lys9) | |
| Rb | nádorový supresor | |
| PML-RAR | onkogenní transkripční faktor | |
| DMAP1 | transkripční korepresor | |
| hSNF2H | protein účastnící se přestaveb chromatinu | |
| PCNA | DNA replikační faktor | |
| MBD2 | vazba na methylovaná CpG místa | |
| MBD3 | stejný | |
| MeCP2 | stejný | |
| HP1p | heterochromatinový protein _ | |
| RNA polymeráza II | RNA polymeráza II | |
| DNMT3a | DNMT1 | udržovací metylace DNA |
| DNMT3L | transkripční represor | |
| HDAC1 | histon deacetyláza | |
| SUV39H1 | histon methyltransferáza H3 (Lys9) | |
| PML-RAR | onkogenní transkripční faktor | |
| RP58 | transkripční korepresor | |
| HP1p | heterochromatinový protein _ | |
| SUMO-1 | protein podobný ubiquitinu | |
| DNMT3b | DNMT1 | udržovací metylace DNA |
| DNMT3L | transkripční represor | |
| HDAC1 | histon deacetyláza | |
| SUMO-1 | protein podobný ubiquitinu | |
| DNMT3L | DNMT3a | de novo methylace DNA |
| DNMT3b | stejný | |
| HDAC1 | histon deacetyláza | |
| CMT3 | Homolog HP1 | heterochromatinový protein _ |
N-terminální doména obsahuje různé specifické sekvence, jako je nukleární lokalizační signál ( NLS ), motiv vázající Zn bohatý na cystein a speciální sekvenci, která směruje metylázu do oblasti replikace DNA (TRF, protein targeting to DNA replikation foci ). Enzym je lokalizován v oblastech replikace DNA během S-fáze buněčného cyklu a po jejím dokončení difunduje do nukleoplazmy . Také N-terminální doména enzymu DNMT1 obsahuje sekvenci homologní s transkripčním represorem HRX, s pomocí kterého je DNA metyláza schopna asociovat s histondeacetylázou in vivo .
Lidský enzym DNMT1 se zásadně neliší od myšího.
Enzym DNMT1 má několik izoforem: somatickou DNMT1, střední variantu (DNMT1b) a izoformu specifickou pro oocyty (DNMT1o). DNMT1o je syntetizován a akumulován v cytoplazmě oocytů a poté, během raného embryonálního vývoje , je transportován do buněčného jádra (somatický DNMT1 je neustále lokalizován v jádře).
Enzym může vykazovat abnormální methylační aktivitu, zejména methylací párů CpG v oblasti smyčky jednovláknové DNA, která již obsahuje methylovaná místa CpG. .
Inaktivace myšího enzymu DNMT1 vede k významnému (až 70 %) poklesu metylace genomu a smrti vyvíjejících se embryí v 10.–11. dni vývoje. Zbývající úroveň 30 % a schopnost kmenových buněk metylovat retrovirovou DNA de novo zajišťují jiné DNA metyltransferázy.
DNA methyltransferáza DNMT2 se skládá ze 415 aminokyselinových zbytků a neobsahuje N-terminální regulační doménu. Inaktivace genu dnmt2 v myších kmenových buňkách neovlivnila jejich schopnost zachovat vzor methylace genomu a de novo methylace . Aminokyselinová sekvence enzymu je podobná sekvencím krátkých DNA metyláz v rostlinách, houbách a prokaryotech. V roce 2006 Goll a kol. ukázali, že enzym produkuje methylaci Asp tRNA na cytosinu-38 jak in vivo , tak in vitro a nemethyluje DNA. Aby se v názvu projevila funkce enzymu, bylo rozhodnuto jej přejmenovat na TRDMT1 ( tRNA asparagová kyselina methyltransferáza 1 , asparagová kyselina transportující tRNA methyltransferázu ).
DNA methyltransferázy DNMT3a a DNMT3b methylují hemimethylovaná a nemethylovaná CpG místa stejnou rychlostí. Lidské DNMT3a a DNMT3b obsahují 908 a 859 aminokyselinových zbytků, v daném pořadí; gen dnmt3b může také kódovat menší polypeptidy díky alternativnímu sestřihu . Geny dnmt3a a dnmt3b jsou aktivně exprimovány v nediferencovaných embryonálních kmenových buňkách, zatímco úroveň jejich exprese je v diferencovaných buňkách velmi nízká. Inaktivace těchto genů u myší vedla k úmrtí jedinců v průměru do čtyř týdnů věku.
DNMT3a metyluje CpG místa aktivněji než CpA, CpT a CpC. DNMT3a metyluje CpG místa mnohem pomaleji než DNMT1, ale rychleji než DNMT3b. Ačkoli se funkce enzymů DNMT3a a DNMT3b do značné míry překrývají, existují také rozdíly. DNMT3b je tedy zodpovědný za metylaci satelitních repetic v oblasti centromerového linkeru a mutace genu dnmt3b u lidí vede k syndromu ICF ( imunodeficitní cenromerická nestabilita , imunodeficitní centromerová nestabilita, anomálie obličeje). Syndrom ICF je vzácná autozomálně recesivní genetická porucha charakterizovaná defekty imunitního systému a abnormální strukturou obličeje. Syndrom je spojen s nestabilitou centromerického heterochromatinu. Současně jsou hlavní složky heterochromatinu, satelitní oblasti DNA II a DNA III, nedostatečně methylovány.
DNMT3L obsahuje motiv DNA metyltransferázy a je nezbytný pro účinek mateřského genomového imprintingu , přičemž zůstává katalyticky neaktivní (kvůli absenci některých klíčových míst potřebných pro katalýzu ). DNMT3L je exprimován během gametogeneze , což je doba, kdy dochází k otiskování genomu. Absence DNMT3L vede k bialelické expresi genů, které nejsou normálně charakterizovány expresí mateřské alely . DNMT3L interaguje s DNMT3a a DNMT3b v buněčném jádře. Ačkoli DNMT3L není schopen provádět methylaci, protein se může podílet na represi transkripce (ve spojení s histondeacetylázou).
V rostlinách byly nalezeny tři rodiny DNA metyltransferáz.
DNA metylázy této rodiny jsou podobné enzymům savčí rodiny DNMT1. U Arabidopsis thaliana ( Tahl 's coli) byly nalezeny 2 takové DNA metyltransferázy: METI a METII. Tyto proteiny se liší od myšího DNMT1 ve struktuře N-terminální domény. Methylázy homologní s Arabidopsis thaliana METI byly nalezeny v mrkvi a rýži .
Tato rodina také zahrnuje tabákový gen NtMETI (kóduje 175 kDa protein, 1556 aminokyselinových zbytků) a hrachový DNA methyltransferázový gen (kóduje 174 kDa protein, 1554 aminokyselinových zbytků). Tyto enzymy jsou nejaktivnější v rostlinných meristémových buňkách.
Rodina zahrnuje polymorfní DNA metylázy. Poprvé objeven v Arabidopsis thaliana . Mezi sekcemi I a IV obsahují molekuly těchto enzymů chromodoménu o 80 aminokyselinových zbytcích, která je zodpovědná za interakci se specifickými proteiny chromatinu a s jadernou membránou . Arabidopsis thaliana CMT3 a kukuřičné proteiny Zmet2 provádějí udržovací methylaci DNA na CpNpG a asymetrických místech. Vypnutí jejich aktivity vede k reaktivaci endogenních transposonů .
Chromomethylázy jsou charakteristické pouze pro rostliny.
Rodina DNA methyláz, ve které jsou konzervované motivy přeskupeny a uspořádány v následujícím pořadí: VI-IX-X-I-II-III-IV-V. Odtud název rodiny: doménové přeskupené metylázy , DRM. Geny pro tyto enzymy byly nalezeny v Arabidopsis thaliana , kukuřici a sójových bobech . Navzdory skutečnosti, že funkční motivy jsou smíšené, molekula tvoří trojrozměrnou strukturu podobnou prokaryotické HhaI DNA methyltransferáze. N-terminální doména obsahuje ubikvitin-vazebné místo, které umožňuje, aby tyto enzymy byly ubikvitinovány. Funkčně jsou tyto DNA methyltransferázy podobné savčí rodině DNMT3, zejména jsou také schopny účinně provádět de novo methylaci DNA na asymetrických místech.
Existují další rostlinné DNA methyltransferázy, jako je METIII Arabidopsis thaliana , která postrádá N-terminální doménu.
Na rozdíl od zvířat nevede inaktivace DNA metyltransferáz v rostlinách k letálnímu účinku, ale vede také k vývojovým anomáliím.
Ascomyceta Ascobolus má 2 geny: MASCI a MASK2 . První kóduje protein s molekulovou hmotností 61,5 kDa sestávající z 537 aminokyselinových zbytků. . Obsahuje 10 konzervovaných motivů charakteristických pro cytosin(C5) methyltransferázy, ale vyznačuje se kratším TRD mezi motivem VIII a IX a N-terminální doménou, která je nehomologní s doménou DNMT1. Mutace v genu MASCI neovlivňuje udržovací metylaci DNA, ale narušuje de novo metylaci repetic DNA a vede ke sterilitě kmenů homozygotních pro tuto mutaci. Gen MASK2 Ascobolus patří do rodiny DNMT1.
Vypnutí obou genů nevede k narušení udržovací metylace Ascobolus DNA , což indikuje přítomnost alespoň jednoho dalšího genu DNA metyltransferázy. .
Neurospora crassa má jeden gen DNA methyltransferázy, DIM-2 . Protein DIM-2 je zodpovědný za metylaci celého genomu a jeho inaktivace vede k úplné demetylaci DNA Neurospora crassa . Protein se skládá z 1454 aminokyselinových zbytků a patří do rodiny DNMT1. Porušení exprese DIM-2 nevede ke znatelným anomáliím ve vývoji houby.
| Přepis (biologie) | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Regulace transkripce |
| ||||||||||||
| Aktivace | |||||||||||||
| Zahájení | Místo začátku přepisu | ||||||||||||
| Prodloužení |
| ||||||||||||
| Ukončení | |||||||||||||