DNA-metyltransferaser ( DNA-metylaser, engelska DNA-metyltransferaser, DNA MTase, DNMT ) är en grupp enzymer som katalyserar metyleringen av nukleotidrester i DNA . Aktiviteten hos metyltransferaser, som består i överföringen av metyl (CH 3 -)-grupper till kvävebasen cytosin i DNA, leder till en förändring av egenskaperna hos DNA, medan aktiviteten, funktionerna hos motsvarande gener, liksom rumslig struktur av nukleinsyran ( konformation ) förändring.
Flera grupper av enzymer har DNA-metyltransferasaktivitet :
Alla kända DNA-metyltransferaser använder S-adenosylmetionin som metylgruppdonator .
Cytosin (C5)-DNA-metyltransferaser katalyserar överföringen av en metylgrupp från S-adenosylmetionin till en cytosinrest lokaliserad i en specifik sekvens i dubbelsträngat DNA , med bildning av 5-metylcytosin och S - adenosylhomocystein . Denna reaktion är irreversibel. Jämförelse av strukturen hos prokaryota och eukaryota DNA-metyltransferaser gör att de kan hänföras till samma klass av enzymer . Alla dessa enzymer är monomera proteiner som innehåller konserverade homologa regioner ( motiv ) ansvariga för enzymatiska funktioner. De flesta cytosin(C5)-DNA-metyltransferaser har upp till 10 sådana ställen. Bland dem finns det 4 måttligt homologa motiv (II, III, V, VII), som kan saknas i vissa enzymer, och 6 mycket homologa motiv (I, IV, VI, VIII, IX, X). Mellan avsnitten VIII och IX finns TRD -domänen ( måligenkännande domän , måligenkännande domän), vars längd och aminosyrasammansättning varierar.
Efter DNA- replikation metylerar eukaryota DNA-metylaser cytosin vid CpG- och CpNpG-ställena i de nyligen syntetiserade strängarna. Vidare utför eukaryota DNA-metylaser funktionen att upprätthålla metylering. de novo DNA-metylering på redan markerade platser.
Fyra aktiva DNA-metyltransferaser har hittats i däggdjur : DNMT1, DNMT2 (TRDMT1), DNMT3a och DNMT3b . Ett protein som strukturellt liknar DNMT3-familjen, men som inte uppvisar metyltransferasaktivitet, DNMT3L (DNMT3- liknande ), hittades också.
Mus-DNA-metyltransferas-DNMT1-familjen är ett 190 kDa -protein som innehåller 1620 aminosyrarester . Huvudaktiviteten för detta enzym är att metylera de hemimetylerade CpG-ställena. DNA-metyltransferas DNMT1-molekylen är mycket större än det prokaryota enzymet på grund av närvaron av en N-terminal regulatorisk region, som är 2/3 av hela längden av polypeptidkedjan. Det är denna plats som är ansvarig för enzymets "preferens" av hemimetylerade platser framför ometylerade. Den regulatoriska N-terminala regionen är ansluten till den katalytiska C-terminala regionen med användning av Gly - Lys upprepningar. Man tror att dnmt1 -genen bildades genom fusion av den prokaryota DNA-metylasgenen med en eller två DNA-bindande proteingener .
| DNA- metyltransferas |
Associerat protein |
Associerad proteinfunktion |
|---|---|---|
| DNMT1 | DNMT3a | de novo DNA-metylering |
| DNMT3b | samma | |
| HDAC1 | histon deacetylas | |
| HDAC2 | samma | |
| SUV39H1 | histonmetyltransferas H3 (Lys9) | |
| Rb | tumörsuppressor | |
| PML-RAR | onkogen transkriptionsfaktor | |
| DMAP1 | transkriptionell corepressor | |
| hSNF2H | protein involverat i kromatinomlagringar | |
| PCNA | DNA- replikationsfaktor | |
| MBD2 | bindning till metylerade CpG- ställen | |
| MBD3 | samma | |
| MeCP2 | samma | |
| HP1β | heterokromatinprotein _ _ | |
| RNA-polymeras II | RNA-polymeras II | |
| DNMT3a | DNMT1 | underhåll DNA-metylering |
| DNMT3L | transkriptionsrepressor | |
| HDAC1 | histon deacetylas | |
| SUV39H1 | histonmetyltransferas H3 (Lys9) | |
| PML-RAR | onkogen transkriptionsfaktor | |
| RP58 | transkriptionell corepressor | |
| HP1β | heterokromatinprotein _ _ | |
| SUMO-1 | ubiquitin -liknande protein | |
| DNMT3b | DNMT1 | underhåll DNA-metylering |
| DNMT3L | transkriptionsrepressor | |
| HDAC1 | histon deacetylas | |
| SUMO-1 | ubiquitin -liknande protein | |
| DNMT3L | DNMT3a | de novo DNA-metylering |
| DNMT3b | samma | |
| HDAC1 | histon deacetylas | |
| CMT3 | HP1-homolog | heterokromatinprotein _ _ |
Den N-terminala domänen innehåller olika specifika sekvenser, såsom en nukleär lokaliseringssignal ( NLS ), ett cysteinrikt Zn-bindande motiv och en speciell sekvens som styr metylas till DNA-replikationsregionen (TRF, protein som riktar sig till DNA-replikationsfoci) ). Enzymet är lokaliserat i områdena för DNA-replikation under S-fasen av cellcykeln , och efter dess fullbordande diffunderar det in i nukleoplasman . Den N-terminala domänen av DNMT1-enzymet innehåller också en sekvens som är homolog med HRX-transkriptionsrepressorn, med hjälp av vilken DNA-metylas kan associeras med histondeacetylas in vivo .
Det mänskliga DNMT1-enzymet skiljer sig inte fundamentalt från musen.
DNMT1-enzymet har flera isoformer: somatisk DNMT1, en mellanvariant (DNMT1b) och en oocytspecifik isoform (DNMT1o). DNMT1o syntetiseras och ackumuleras i cytoplasman av oocyter , och sedan, under tidig embryonal utveckling , transporteras den till cellkärnan (somatisk DNMT1 är konstant lokaliserad i kärnan).
Enzymet kan uppvisa onormal metyleringsaktivitet, i synnerhet genom att metylera CpG-par i regionen av en enkelsträngad DNA-loop som redan innehåller metylerade CpG-ställen. .
Inaktivering av mus-DNMT1-enzymet leder till en signifikant (upp till 70%) minskning av genommetylering och död hos utvecklande embryon på dagarna 10–11 av utvecklingen. Den återstående nivån på 30 % och stamcellernas förmåga att metylera retroviralt DNA de novo tillhandahålls av andra DNA-metyltransferaser.
DNA-metyltransferas DNMT2 består av 415 aminosyrarester och innehåller ingen N-terminal regulatorisk domän. Inaktivering av dnmt2 -genen i musstamceller påverkade inte deras förmåga att upprätthålla mönstret för genommetylering och de novo -metylering . Aminosyrasekvensen för enzymet liknar sekvenserna av korta DNA-metylaser i växter, svampar och prokaryoter. År 2006 gjorde Goll et al. har visat att enzymet producerar Asp tRNA -metylering vid cytosin-38 både in vivo och in vitro och inte metylerar DNA. För att återspegla funktionen av enzymet i namnet beslutades det att döpa om det till TRDMT1 ( tRNA asparaginsyra metyltransferas 1 , asparaginsyra som transporterar tRNA metyltransferas ).
DNA-metyltransferaserna DNMT3a och DNMT3b metylerar de hemimetylerade och ometylerade CpG-ställena i samma hastighet. Humant DNMT3a och DNMT3b innehåller 908 respektive 859 aminosyrarester; dnmt3b-genen kan också koda för mindre polypeptider på grund av alternativ splitsning . dnmt3a- och dnmt3b- generna uttrycks aktivt i odifferentierade embryonala stamceller, medan deras uttrycksnivå är mycket låg i differentierade celler. Inaktivering av dessa gener i möss ledde till att individer dog i genomsnitt vid fyra veckors ålder.
DNMT3a metylerar CpG-ställen mer aktivt än CpA, CpT och CpC. DNMT3a metylerar CpG-ställen mycket långsammare än DNMT1 men snabbare än DNMT3b. Även om funktionerna hos enzymerna DNMT3a och DNMT3b överlappar varandra i stor utsträckning, finns det också skillnader. Således är DNMT3b ansvarig för metylering av satellitupprepningar i regionen av centromerlänken , och mutation av dnmt3b-genen hos människor leder till ICF-syndrom ( immunbristcenromerisk instabilitet , immunbristcentromerinstabilitet, ansiktsavvikelser). ICF-syndrom är en sällsynt autosomal recessiv genetisk störning som kännetecknas av defekter i immunsystemet och onormal ansiktsstruktur. Syndromet är förknippat med instabilitet hos centromeriskt heterokromatin. Samtidigt är huvudkomponenterna i heterokromatin, satellitregionerna av DNA II och DNA III, undermetylerade.
DNMT3L innehåller ett DNA-metyltransferasmotiv och är väsentligt för effekten av moderns genomisk prägling , samtidigt som den förblir katalytiskt inaktiv (på grund av frånvaron av några nyckelställen som krävs för katalys ). DNMT3L uttrycks under gametogenes , vilket är när genomisk prägling sker. Frånvaron av DNMT3L leder till biallel uttryck av gener som normalt inte kännetecknas av uttrycket av den maternala allelen . DNMT3L interagerar med DNMT3a och DNMT3b i cellkärnan. Även om DNMT3L inte kan utföra metylering, kan proteinet vara involverat i transkriptionell repression (i samband med histondeacetylas).
Tre familjer av DNA-metyltransferaser har hittats i växter.
DNA-metylaserna i denna familj liknar enzymerna i däggdjurs-DNMT1-familjen. I Arabidopsis thaliana ( Tahls coli) hittades 2 sådana DNA-metyltransferaser: METI och METII. Dessa proteiner skiljer sig från mus-DNMT1 i strukturen av den N-terminala domänen. Metylaser homologa med Arabidopsis thaliana METI har hittats i morötter och ris .
Denna familj inkluderar även tobaks - NtMETI -genen (kodar för ett 175 kDa-protein, 1556 aminosyrarester) och ärt -DNA-metyltransferasgenen (kodar för ett 174 kDa-protein, 1554 aminosyrarester). Dessa enzymer är mest aktiva i växtmeristemceller .
Familjen inkluderar polymorfa DNA-metylaser. Upptäcktes först i Arabidopsis thaliana . Mellan sektionerna I och IV innehåller dessa enzymers molekyler en kromodomän med 80 aminosyrarester, som är ansvarig för interaktion med specifika kromatinproteiner och med kärnmembranet . Arabidopsis thaliana CMT3 och majs Zmet2-proteiner utför underhålls-DNA-metylering vid CpNpG och asymmetriska platser. Att stänga av deras aktivitet leder till reaktivering av endogena transposoner .
Kromometylaser är karakteristiska endast för växter.
En familj av DNA-metylaser i vilka konserverade motiv är omarrangerade och arrangerade i följande ordning: VI-IX-X-I-II-III-IV-V. Därav namnet på familjen: domänomarrangerade metylaser , DRM. Generna för dessa enzymer har hittats i Arabidopsis thaliana , majs och sojabönor . Trots att de funktionella motiven är blandade bildar molekylen en tredimensionell struktur som liknar det prokaryota HhaI DNA-metyltransferaset. Den N-terminala domänen innehåller ett ubiquitin-bindningsställe, vilket gör det möjligt för dessa enzymer att ubiquitineras. Funktionellt liknar dessa DNA-metyltransferaser däggdjurs-DNMT3-familjen; i synnerhet kan de också effektivt utföra de novo DNA-metylering på asymmetriska platser.
Andra växt-DNA-metyltransferaser existerar, såsom Arabidopsis thalianas METIII, som saknar en N-terminal domän.
Till skillnad från djur leder inaktivering av DNA-metyltransferaser i växter inte till en dödlig effekt, men det leder också till utvecklingsavvikelser.
Ascomyceten Ascobolus har 2 gener: MASCI och MASK2 . Den första kodar för ett protein med en molekylvikt på 61,5 kDa, bestående av 537 aminosyrarester. . Den innehåller 10 konserverade motiv som är karakteristiska för cytosin(C5)-metyltransferaser, men kännetecknas av en kortare TRD mellan motiv VIII och IX och en N-terminal domän som är icke-homolog med den för DNMT1. En mutation i MASCI -genen påverkar inte underhålls-DNA-metylering, men stör de novo -metylering av DNA- repetitioner och leder till sterilitet hos stammar som är homozygota för denna mutation. MASK2 Ascobolus - genen tillhör DNMT1-familjen.
Att stänga av båda generna leder inte till avbrott i Ascobolus DNA-underhållsmetylering , vilket indikerar närvaron av minst en DNA-metyltransferasgen till. .
Neurospora crassa har en DNA-metyltransferasgen, DIM-2 . DIM-2-proteinet är ansvarigt för metylering av hela genomet, och dess inaktivering leder till fullständig demetylering av DNA från Neurospora crassa . Proteinet består av 1454 aminosyrarester och tillhör DNMT1-familjen. Brott mot DIM-2- uttryck leder inte till märkbara anomalier i utvecklingen av svampen.
| Transkription (biologi) | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Transkriptionsreglering _ |
| ||||||||||||
| Aktivering | |||||||||||||
| Initiering | Startsida för transkription | ||||||||||||
| Förlängning |
| ||||||||||||
| Uppsägning | |||||||||||||