Метилирование: химический процесс и биологическое значение.

Введение

Химический процесс, в котором метильная (CH3) группа ковалентно присоединяется к молекуле.

Метилирование в химических науках – это присоединение метильной группы к субстрату или замещение атома (или группы) метильной группой. Метилирование является формой алкилирования, при которой метильная группа замещает атом водорода. Эти термины широко используются в химии, биохимии, почвоведении и биологии. В биологических системах метилирование катализируется ферментами; такое метилирование может быть вовлечено в модификацию тяжелых металлов, регуляцию экспрессии генов, регуляцию функции белков и процессинг РНК. Метилирование образцов тканей in vitro также может использоваться для уменьшения некоторых артефактов гистологического окрашивания. Обратным процессом метилирования является деметилирование.

В биологии

В биологических системах метилирование осуществляется ферментами. Метилирование может изменять тяжелые металлы и регулировать экспрессию генов, процессинг РНК и функцию белков. Это ключевой процесс, лежащий в основе эпигенетики. Источники метильных групп включают S-метионин, метилфолат и метил B12.

Метаногенез

Метаногенез, процесс образования метана из CO2, включает в себя серию реакций метилирования. Эти реакции катализируются набором ферментов, содержащимся в семействе анаэробных микроорганизмов. В обратном метаногенезе метан выступает в качестве метилирующего агента.

О-метилтрансферазы

Широкий спектр фенолов подвергается O-метилированию с образованием производных анизола. Этот процесс, катализируемый такими ферментами, как кофеил-КоА O-метилтрансфераза, является ключевой реакцией в биосинтезе лигнолов – предшественников лигнина, основного структурного компонента растений. Растения производят флавоноиды и изофлавоны, содержащие метильные группы у гидроксильных групп, то есть метоксисвязи. Это O-метилирование в положении 5 влияет на растворимость флавоноида в воде. Примерами служат 5-O-метилгенистеин, 5-O-метилмирицетин и 5-O-метилкерцетин (азалеатин).

Белки

Наряду с убиквитинированием и фосфорилированием, метилирование является важным биохимическим процессом, модифицирующим функцию белков. Наиболее часто встречающиеся метилирования белков затрагивают остатки аргинина и лизина в специфических гистонах. В иных случаях метилированию подвергаются гистидин, глутамат, аспарагин и цистеин. К продуктам метилирования относятся S-метилцистеин, два изомера N-метилгистидина и два изомера N-метиларгинина.

Метионинсинтаза

Метионинсинтаза регенерирует метионин (Met) из гомоцистеина (Hcy). Общая реакция преобразует 5-метилтетрагидрофолат (N5 MeTHF) в тетрагидрофолат (THF), одновременно перенося метильную группу к Hcy с образованием Met. Метионинсинтазы могут быть кобаламинозависимыми и кобаламинонезависимыми: растения обладают обеими формами, а животные зависят от кобаламинозависимой формы. В кобаламинозависимых формах фермента реакция протекает в две стадии посредством реакции "пинг-понг". Фермент первоначально активируется, переходя в реактивное состояние путем переноса метильной группы из N5 MeTHF к Co(I) в связанном с ферментом кобаламине ((Cob), также известном как витамин B12), образуя метилкобаламин (Me Cob), который теперь содержит Me Co(III) и активирует фермент. Затем гомоцистеин (Hcy), координированный с цинком, связанным с ферментом, с образованием реактивного тиолата, взаимодействует с Me Cob. Активированная метильная группа переносится из Me Cob к тиолату Hcy, что регенерирует Co(I) в Cob, и метионин (Met) высвобождается из фермента.

Тяжелые металлы: мышьяк, ртуть, кадмий

Биометилирование — это процесс превращения некоторых тяжелых элементов в более подвижные или токсичные производные, способные проникать в пищевую цепь. Биометилирование соединений мышьяка начинается с образования метанарсонатов. Таким образом, тривалентные неорганические соединения мышьяка метилируются с образованием метанарсоната. S-аденозилметионин является донором метильной группы. Метанарсонаты служат предшественниками диметилмышьяка, образуясь в результате цикла восстановления (до метилмышьяковой кислоты) с последующим вторым метилированием. Аналогичные процессы обнаружены при микробном метилировании ртути до метилртути.

Метилирование ДНК/РНК

Метилирование ДНК – это превращение цитозина в 5-метилцитозин. Образование Me CpG катализируется ферментом ДНК-метилтрансферазой. У позвоночных метилирование ДНК обычно происходит в CpG-сайтах (цитозин-фосфат-гуаниновые участки, то есть участки, где за цитозином в последовательности ДНК непосредственно следует гуанин). У млекопитающих метилирование ДНК распространено в соматических клетках, и метилирование CpG-сайтов представляется состоянием по умолчанию. ДНК человека содержит около 80–90% метилированных CpG-сайтов, но существуют определенные области, известные как CpG-острова, которые богаты CG (высокое содержание цитозина и гуанина, составляющее около 65% CG-остатков), в которых метилирование отсутствует. Эти острова ассоциированы с промоторами 56% генов млекопитающих, включая все гены, повсеместно экспрессируемые. От одного до двух процентов генома человека составляют CpG-кластеры, и существует обратная зависимость между метилированием CpG и транскрипционной активностью. Метилирование, способствующее эпигенетическому наследованию, может происходить как посредством метилирования ДНК, так и посредством метилирования белков. Нарушения метилирования генов человека могут приводить к развитию заболеваний, включая рак. У медоносных пчел метилирование ДНК связано с альтернативным сплайсингом и регуляцией генов, согласно результатам функционально-геномных исследований, опубликованных в 2013 году. Кроме того, метилирование ДНК связано с изменениями экспрессии иммунных генов при летальной вирусной инфекции медоносных пчел. Было опубликовано несколько обзорных статей, посвященных метилированию ДНК у социальных насекомых. Метилирование РНК происходит в различных типах РНК, а именно: тРНК, рРНК, мРНК, tmРНК, snРНК, snoРНК, миРНК и вирусной РНК. Для метилирования РНК различными РНК-метилтрансферазами используются различные каталитические стратегии. Считается, что метилирование РНК существовало до метилирования ДНК в ранних формах жизни на Земле. N6-метиладенозин (m6A) является наиболее распространенной и обильной модификацией метилирования в молекулах РНК (мРНК) у эукариот. 5-метилцитозин (5 mC) также часто встречается в различных молекулах РНК. Недавние данные убедительно свидетельствуют о том, что метилирование РНК m6A и 5 mC влияет на регуляцию различных биологических процессов, таких как стабильность РНК и трансляция мРНК, и что аномальное метилирование РНК способствует этиологии человеческих заболеваний. У социальных насекомых, таких как медоносные пчелы, метилирование РНК изучается как возможный эпигенетический механизм, лежащий в основе агрессии, посредством реципрокных скрещиваний.

DNA methylation is the conversion of the cytosine to 5 methylcytosine. The formation of Me CpG is catalyzed by the enzyme DNA methyltransferase. In vertebrates, DNA methylation typically occurs at CpG sites (cytosine phosphate guanine sites—that is, sites where a cytosine is directly followed by a guanine in the DNA sequence). In mammals, DNA methylation is common in body cells, and methylation of CpG sites seems to be the default. Human DNA has about 80–90% of CpG sites methylated, but there are certain areas, known as CpG islands, that are CG rich (high cytosine and guanine content, made up of about 65% CG residues), wherein none is methylated. These are associated with the promoters of 56% of mammalian genes, including all ubiquitously expressed genes. One to two percent of the human genome are CpG clusters, and there is an inverse relationship between CpG methylation and transcriptional activity. Methylation contributing to epigenetic inheritance can occur through either DNA methylation or protein methylation. Improper methylations of human genes can lead to disease development, including cancer. In honey bees, DNA methylation is associated with alternative splicing and gene regulation based on functional genomic research published in 2013. In addition, DNA methylation is associated with expression changes in immune genes when honey bees were under lethal viral infection. Several review papers have been published on the topics of DNA methylation in social insects. RNA methylation occurs in different RNA species viz. tRNA, rRNA, mRNA, tmRNA, snRNA, snoRNA, miRNA, and viral RNA. Different catalytic strategies are employed for RNA methylation by a variety of RNA methyltransferases. RNA methylation is thought to have existed before DNA methylation in the early forms of life evolving on earth. N6 methyladenosine (m6A) is the most common and abundant methylation modification in RNA molecules (mRNA) present in eukaryotes. 5 methylcytosine (5 mC) also commonly occurs in various RNA molecules. Recent data strongly suggest that m6A and 5 mC RNA methylation affects the regulation of various biological processes such as RNA stability and mRNA translation, and that abnormal RNA methylation contributes to etiology of human diseases. In social insects such as honey bees, RNA methylation is studied as a possible epigenetic mechanism underlying aggression via reciprocal crosses.

Метилирование белков

Метилирование белка обычно происходит на остатках аминокислот аргинина или лизина в последовательности белка. Аргинин может быть метилирован один раз (монометилированный аргинин) или дважды, при этом обе метильные группы могут располагаться на одном конце азота (асимметричный диметиларгинин) или по одной на каждом азоте (симметричный диметиларгинин), посредством действия белковых аргинин-метилтрансфераз (PRMTs). Лизин может быть метилирован один, два или три раза лизин-метилтрансферазами. Метилирование белков наиболее полно изучено на гистонах. Перенос метильных групп от S-аденозилметионина к гистонам катализируется ферментами, известными как гистон-метилтрансферазы. Гистоны, метилированные в определенных остатках, могут эпигенетически подавлять или активировать экспрессию генов. Метилирование белка является одним из видов посттрансляционных модификаций.

Эволюция

Метиловый метаболизм очень древний и встречается во всех организмах на Земле, от бактерий до человека, что свидетельствует о важности метилового метаболизма для физиологии. Действительно, фармакологическое ингибирование глобального метилирования у видов, включая человека, мышь, рыбу, муху, нематод, растения, водоросли и цианобактерии, вызывает одинаковые эффекты на их биологические ритмы, демонстрируя консервативные физиологические функции метилирования в ходе эволюции.

В химии

Термин метилирование в органической химии обозначает процесс алкилирования, используемый для описания присоединения группы |CH3.

Электрофильная метилирование

Метилирование обычно проводят с использованием электрофильных источников метильных групп, таких как йодометан, диметилсульфат, диметилкарбонат или хлорид тетраметиламмония. Менее распространены, но более эффективны (и опасны) метилирующие реагенты, включая метилтрифлат, диазометан и метилфторусульфонат («магический метил»). Все эти реагенты реагируют посредством SN2-нуклеофильного замещения. Например, карбоксилат может быть метилирован по кислороду с образованием метилового эфира; алкоксид-ион RO также может быть метилирован с образованием эфира ROCH3; или кетоновый энолят может быть метилирован по углероду с образованием нового кетона. Метилирование по Пурди – специфический метод метилирования углеводов по кислороду с использованием йодометана и оксида серебра.

Метилирование Эшвейлера и Кларка

Реакция Эшвайлера — Кларка — это метод метилирования аминов. Этот метод позволяет избежать риска четвертичной солеобразования, которое возникает при метилировании аминов метилгалогенидами.

Нуклеофильная метилирование

Метилирование иногда включает использование нуклеофильных метильных реагентов. К сильно нуклеофильным метилирующим агентам относятся метиллитий (CH3Li) или реагенты Гриньяра, такие как метилмагнийбромид (CH3MgX). Например, CH3Li присоединяет метильные группы к карбонильной группе (C=O) кетонов и альдегидов. Более мягкие метилирующие агенты включают тетраметилтин, диметилцинк и триметилалюминий.