DNA-methyltransferaser ( DNA-methylaser, engelsk DNA-methyltransferase, DNA MTase, DNMT ) er en gruppe enzymer , der katalyserer methyleringen af nukleotidrester i DNA . Aktiviteten af methyltransferaser, som består i overførsel af methyl (CH 3 -) grupper til den nitrogenholdige base cytosin i DNA, fører til en ændring i egenskaberne af DNA, mens aktiviteten, funktionerne af de tilsvarende gener, samt rumlige struktur af nukleinsyren ( konformation ) ændres.
Flere grupper af enzymer har DNA-methyltransferaseaktivitet :
Alle kendte DNA-methyltransferaser bruger S-adenosyl-methionin som methylgruppedonor .
Cytosin (C5)-DNA-methyltransferaser katalyserer overførslen af en methylgruppe fra S-adenosyl-methionin til en cytosinrest placeret i en specifik sekvens i dobbeltstrenget DNA , med dannelsen af 5-methylcytosin og S - adenosylhomocystein . Denne reaktion er irreversibel. Sammenligning af strukturen af prokaryote og eukaryote DNA-methyltransferaser gør det muligt at henføre dem til den samme klasse af enzymer . Alle disse enzymer er monomere proteiner, der indeholder konserverede homologe regioner ( motiver ), der er ansvarlige for enzymatiske funktioner. De fleste cytosin(C5)-DNA-methyltransferaser har op til 10 sådanne steder. Blandt dem er der 4 moderat homologe motiver (II, III, V, VII), som kan være fraværende i nogle enzymer, og 6 meget homologe motiver (I, IV, VI, VIII, IX, X). Mellem afsnit VIII og IX er TRD - domænet ( målgenkendende domæne , målgenkendende domæne), hvis længde og aminosyresammensætning er variable.
Efter DNA- replikation methylerer eukaryot DNA-methylaser cytosin på CpG- og CpNpG-stederne i de nyligt syntetiserede strenge. Yderligere udfører eukaryote DNA-methylaser funktionen med at opretholde methylering. de novo DNA-methylering på allerede markerede steder.
Fire aktive DNA-methyltransferaser er blevet fundet i pattedyr : DNMT1, DNMT2 (TRDMT1), DNMT3a og DNMT3b . Et protein, der strukturelt ligner DNMT3-familien, men som ikke udviser methyltransferaseaktivitet, DNMT3L (DNMT3- lignende ), blev også fundet.
Muse-DNA-methyltransferase DNMT1-familien er et 190 kDa -protein, der indeholder 1620 aminosyrerester . Hovedaktiviteten af dette enzym er at methylere de hemimethylerede CpG-steder. DNA-methyltransferase DNMT1-molekylet er meget større end det prokaryote enzym på grund af tilstedeværelsen af en N-terminal regulatorisk region, som er 2/3 af hele længden af polypeptidkæden. Det er dette sted, der er ansvarlig for enzymets "præference" af hemimethylerede steder frem for ikke-methylerede. Den regulatoriske N-terminale region er forbundet med den katalytiske C-terminale region ved hjælp af Gly - Lys - gentagelser. Det antages, at dnmt1 -genet blev dannet ved fusion af det prokaryote DNA-methylase-gen med et eller to DNA-bindende proteingener .
Proteiner forbundet med DNA-methyltransferaser ( Buryanov, Shevchuk, 2005 )DNA -methyltransferase |
Associeret protein |
Associeret proteinfunktion |
|---|---|---|
| DNMT1 | DNMT3a | de novo DNA-methylering |
| DNMT3b | samme | |
| HDAC1 | histon deacetylase | |
| HDAC2 | samme | |
| SUV39H1 | histon methyltransferase H3 (Lys9) | |
| Rb | tumor suppressor | |
| PML-RAR | onkogen transkriptionsfaktor | |
| DMAP1 | transkriptionel corepressor | |
| hSNF2H | protein involveret i kromatin - omlejringer | |
| PCNA | DNA replikationsfaktor | |
| MBD2 | binding til methylerede CpG- steder | |
| MBD3 | samme | |
| MeCP2 | samme | |
| HP1β | heterochromatin protein _ | |
| RNA-polymerase II | RNA-polymerase II | |
| DNMT3a | DNMT1 | vedligeholdelse af DNA-methylering |
| DNMT3L | transkriptionel repressor | |
| HDAC1 | histon deacetylase | |
| SUV39H1 | histon methyltransferase H3 (Lys9) | |
| PML-RAR | onkogen transkriptionsfaktor | |
| RP58 | transkriptionel corepressor | |
| HP1β | heterochromatin protein _ | |
| SUMO-1 | ubiquitin -lignende protein | |
| DNMT3b | DNMT1 | vedligeholdelse af DNA-methylering |
| DNMT3L | transkriptionel repressor | |
| HDAC1 | histon deacetylase | |
| SUMO-1 | ubiquitin -lignende protein | |
| DNMT3L | DNMT3a | de novo DNA-methylering |
| DNMT3b | samme | |
| HDAC1 | histon deacetylase | |
| CMT3 | HP1 homolog | heterochromatin protein _ |
Det N-terminale domæne indeholder forskellige specifikke sekvenser, såsom et nuklear lokaliseringssignal ( NLS ), et cysteinrigt Zn-bindende motiv og en speciel sekvens, der dirigerer methylase til DNA-replikationsregionen (TRF, protein målrettet mod DNA-replikationsfoci ) ). Enzymet er lokaliseret i områderne med DNA-replikation under S-fasen af cellecyklussen , og efter dets afslutning diffunderer det ind i nukleoplasmaet . Det N-terminale domæne af DNMT1-enzymet indeholder også en sekvens, der er homolog med HRX-transkriptionsrepressoren, ved hjælp af hvilken DNA-methylase er i stand til at associere med histon-deacetylase in vivo .
Det humane DNMT1-enzym er ikke fundamentalt forskelligt fra musen.
DNMT1-enzymet har flere isoformer: somatisk DNMT1, en mellemvariant (DNMT1b) og en oocytspecifik isoform (DNMT1o). DNMT1o syntetiseres og akkumuleres i cytoplasmaet af oocytter , og derefter, under tidlig embryonal udvikling , transporteres det til cellekernen (somatisk DNMT1 er konstant lokaliseret i kernen).
Enzymet kan udvise unormal methyleringsaktivitet, især ved at methylere CpG-par i området af en enkeltstrenget DNA-løkke, der allerede indeholder methylerede CpG-steder. .
Inaktivering af muse-DNMT1-enzymet fører til et signifikant (op til 70%) fald i genom- methylering og død af udviklende embryoner på dag 10-11 af udvikling. Det resterende niveau på 30 % og stamcellernes evne til at methylere retroviralt DNA de novo leveres af andre DNA-methyltransferaser.
DNA-methyltransferase DNMT2 består af 415 aminosyrerester og indeholder ikke et N-terminalt regulatorisk domæne. Inaktivering af dnmt2 -genet i musestamceller påvirkede ikke deres evne til at opretholde mønstret for genom-methylering og de novo -methylering . Enzymets aminosyresekvens ligner sekvenserne af korte DNA-methylaser i planter, svampe og prokaryoter. I 2006 Goll et al. har vist, at enzymet producerer Asp tRNA -methylering ved cytosin-38 både in vivo og in vitro og ikke methylerer DNA. For at afspejle enzymets funktion i navnet, blev det besluttet at omdøbe det til TRDMT1 ( tRNA asparaginsyre methyltransferase 1 , asparaginsyre transporterende tRNA methyltransferase ).
DNA-methyltransferaserne DNMT3a og DNMT3b methylerer de hemimethylerede og umethylerede CpG-steder med samme hastighed. Human DNMT3a og DNMT3b indeholder henholdsvis 908 og 859 aminosyrerester; dnmt3b-genet kan også kode for mindre polypeptider på grund af alternativ splejsning . dnmt3a- og dnmt3b- generne udtrykkes aktivt i udifferentierede embryonale stamceller, mens deres ekspressionsniveau er meget lavt i differentierede celler. Inaktivering af disse gener i mus førte til individers død i gennemsnit ved fire ugers alderen.
DNMT3a methylerer CpG-steder mere aktivt end CpA, CpT og CpC. DNMT3a methylerer CpG-steder meget langsommere end DNMT1, men hurtigere end DNMT3b. Selvom funktionerne af DNMT3a og DNMT3b enzymerne overlapper hinanden i høj grad, er der også forskelle. Således er DNMT3b ansvarlig for methylering af satellitgentagelser i regionen af centromere - linkeren, og mutation af dnmt3b-genet hos mennesker fører til ICF-syndrom ( immundefekt cenromerisk ustabilitet , immundefekt centromere ustabilitet, ansigtsanomalier). ICF syndrom er en sjælden autosomal recessiv genetisk lidelse karakteriseret ved defekter i immunsystemet og unormal ansigtsstruktur. Syndromet er forbundet med ustabilitet af centromer heterochromatin. Samtidig er hovedkomponenterne i heterochromatin, satellitregionerne af DNA II og DNA III, undermethyleret.
DNMT3L indeholder et DNA-methyltransferase-motiv og er essentielt for effekten af maternel genomisk prægning , mens den forbliver katalytisk inaktiv (på grund af fraværet af nogle nøglesteder, der kræves til katalyse ). DNMT3L udtrykkes under gametogenese , hvilket er når genomisk prægning forekommer. Fraværet af DNMT3L fører til biallel ekspression af gener, der normalt ikke er karakteriseret ved ekspressionen af den maternelle allel . DNMT3L interagerer med DNMT3a og DNMT3b i cellekernen. Selvom DNMT3L ikke er i stand til at udføre methylering, kan proteinet være involveret i transkriptionel repression (i forbindelse med histondeacetylase).
Tre familier af DNA-methyltransferaser er blevet fundet i planter.
DNA-methylaserne i denne familie ligner enzymerne fra pattedyrs DNMT1-familien. I Arabidopsis thaliana ( Tahl 's coli) blev der fundet 2 sådanne DNA-methyltransferaser: METI og METII. Disse proteiner adskiller sig fra muse-DNMT1 i strukturen af det N-terminale domæne. Methylaser homologe med Arabidopsis thaliana METI er blevet fundet i gulerødder og ris .
Denne familie inkluderer også tobaks - NtMETI -genet (koder for et 175 kDa-protein, 1556 aminosyrerester) og ærte -DNA-methyltransferasegenet (koder for et 174 kDa-protein, 1554 aminosyrerester). Disse enzymer er mest aktive i plantemeristemceller .
Familien omfatter polymorfe DNA-methylaser. Først opdaget i Arabidopsis thaliana . Mellem afsnit I og IV indeholder disse enzymers molekyler et kromodæne på 80 aminosyrerester, som er ansvarligt for interaktion med specifikke kromatinproteiner og med kernemembranen . Arabidopsis thaliana CMT3 og majs Zmet2-proteiner udfører vedligeholdelses-DNA-methylering ved CpNpG og asymmetriske steder. Deaktivering af deres aktivitet fører til reaktivering af endogene transposoner .
Chromomethylaser er kun karakteristiske for planter.
En familie af DNA-methylaser, hvori konserverede motiver er omarrangeret og arrangeret i følgende rækkefølge: VI-IX-X-I-II-III-IV-V. Deraf navnet på familien: domæneomlejrede methylaser , DRM. Generne for disse enzymer er blevet fundet i Arabidopsis thaliana , majs og sojabønner . På trods af at de funktionelle motiver er blandet, danner molekylet en tredimensionel struktur, der ligner den prokaryote HhaI DNA-methyltransferase. Det N-terminale domæne indeholder et ubiquitin-bindingssted, som gør det muligt for disse enzymer at blive ubiquitineret. Funktionelt ligner disse DNA-methyltransferaser pattedyrs DNMT3-familien; især er de også i stand til effektivt at udføre de novo DNA-methylering på asymmetriske steder.
Der findes andre plante-DNA-methyltransferaser, såsom Arabidopsis thaliana 's METIII, som mangler et N-terminalt domæne.
I modsætning til dyr fører inaktivering af DNA-methyltransferaser i planter ikke til en dødelig virkning, men det fører også til udviklingsmæssige anomalier.
Ascomyceten Ascobolus har 2 gener: MASCI og MASK2 . Den første koder for et protein med en molekylvægt på 61,5 kDa, bestående af 537 aminosyrerester. . Det indeholder 10 konserverede motiver, der er karakteristiske for cytosin(C5)-methyltransferaser, men er kendetegnet ved en kortere TRD mellem motiv VIII og IX og et N-terminalt domæne, der er ikke-homologt med det for DNMT1. En mutation i MASCI -genet påvirker ikke vedligeholdelses-DNA-methylering, men forstyrrer de novo -methylering af DNA- gentagelser og fører til sterilitet af stammer, der er homozygote for denne mutation. MASK2 Ascobolus -genet tilhører DNMT1-familien.
Slukning af begge gener fører ikke til afbrydelse af Ascobolus DNA-vedligeholdelsesmethylering , hvilket indikerer tilstedeværelsen af mindst ét DNA-methyltransferasegen mere. .
Neurospora crassa har ét DNA-methyltransferasegen, DIM-2 . DIM-2-proteinet er ansvarligt for methylering af hele genomet, og dets inaktivering fører til fuldstændig demethylering af Neurospora crassa DNA . Proteinet består af 1454 aminosyrerester og tilhører DNMT1-familien. Overtrædelser af DIM-2- ekspression fører ikke til mærkbare anomalier i udviklingen af svampen.
| Transskription (biologi) | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Transskriptionsregulering _ |
| ||||||||||||
| Aktivering | |||||||||||||
| Indvielse | Startside for transskription | ||||||||||||
| Forlængelse |
| ||||||||||||
| Afslutning | |||||||||||||