Введение

Химическое соединение, являющееся модифицированным основанием ДНК.

5-Метилцитозин – это метилированная форма основания цитозина (C), входящего в состав ДНК, которая регулирует транскрипцию генов и выполняет ряд других биологических функций. При метилировании цитозина последовательность ДНК остается неизменной, однако экспрессия метилированных генов может изменяться (изучение этого относится к области эпигенетики). 5-Метилцитозин входит в состав нуклеозида 5-метилцитидина. В молекуле 5-метилцитозина метильная группа присоединена к пятому атому шестичленного кольца, если отсчет ведется против часовой стрелки от атома азота, связанного с NH, расположенного в положении «шесть часов». Эта метильная группа отличает 5-метилцитозин от цитозина.

Открытие

В 1898 году, стремясь выделить бактериальный токсин, ответственный за туберкулез, В. Г. Руппель изолировал из туберкулезного бацилла новую нуклеиновую кислоту, названную туберкулиновой кислотой. Было установлено, что эта нуклеиновая кислота необычна, поскольку содержала, помимо тимина, гуанина и цитозина, метилированный нуклеотид. В 1925 году Джонсон и Когилл успешно обнаружили небольшое количество метилированного производного цитозина в результате гидролиза туберкулиновой кислоты серной кислотой. Этот отчет подвергся резкой критике, поскольку их идентификация основывалась исключительно на оптических свойствах кристаллического пикрата, и другим ученым не удалось воспроизвести аналогичные результаты. Однако существование этого соединения было окончательно доказано в 1948 году, когда Хотчкисс, используя бумажную хроматографию, отделил нуклеиновые кислоты ДНК из тимуса телят и обнаружил уникальный метилированный цитозин, существенно отличающийся от обычного цитозина и урацила. Спустя семь десятилетий выяснилось, что это также распространенная характеристика различных молекул РНК, хотя его точная роль остается невыясненной.

В пробирке

Группа NH2 может быть удалена (деаминирована) из 5-метилцитозина с образованием тимина с использованием таких реагентов, как азотистая кислота; цитозин деаминируется в урацил (U) в аналогичных условиях. 5-метилцитозин устойчив к деаминированию при обработке бисульфитом, который деаминирует остатки цитозина. Это свойство часто используется для анализа паттернов метилирования цитозина в ДНК с помощью бисульфитного секвенирования.

Добавление и регулирование с помощью DNMT (евкариот)

5mC метки наносятся на геномную ДНК посредством ДНК-метилтрансфераз (DNMTs). У человека существует 5 DNMT: DNMT1, DNMT2, DNMT3A, DNMT3B и DNMT3L, а у водорослей и грибов присутствуют еще 3 (DNMT4, DNMT5 и DNMT6). DNMT1 содержит последовательность нацеливания на репликационные фокусы (RFTS) и домен CXXC, которые катализируют добавление 5mC меток. RFTS направляет DNMT1 к участкам репликации ДНК, способствуя поддержанию 5mC на дочерних цепях во время репликации ДНК, в то время как CXXC содержит цинковый палец для de novo метилирования ДНК. DNMT1 является преобладающей ДНК-метилтрансферазой во всех тканях человека. В основном, DNMT3A и DNMT3B отвечают за de novo метилирование, а DNMT1 поддерживает 5mC метку после репликации. Изменения в экспрессии DNMT приводят к аберрантному метилированию. Повышенная экспрессия вызывает увеличение метилирования, а нарушение функции фермента – снижение уровня метилирования. Окисление происходит посредством диоксигеназ семейства TET (Ten-eleven translocation) (ферменты TET), которые могут превращать 5mC, 5hmC и 5fC в их окисленные формы. Однако фермент проявляет наибольшее предпочтение к 5mC, а начальная скорость реакции преобразования 5hmC и 5fC с помощью TET2 в 4,9–7,6 раза ниже. TET требует Fe(II) в качестве кофактора, а кислород и α-кетоглутарат (α-KG) в качестве субстратов, причем последний субстрат образуется из изоцитрата ферментом изоцитратдегидрогеназой (IDH). Однако рак может производить 2-гидроксиглутарат (2HG), который конкурирует с α-KG, снижая активность TET и, следовательно, уменьшая превращение 5mC в 5hmC.

При раке

При раке ДНК может подвергаться как избыточному метилированию, называемому гиперметилированием, так и недостаточному метилированию, называемому гипометилированием. Острова CpG, перекрывающие промоторы генов, подвергаются de novo метилированию, что приводит к аберрантной инактивации генов, обычно связанных с подавлением роста опухолей (это пример гиперметилирования). При сравнении опухолевой и нормальной ткани в первой были обнаружены повышенные уровни метилтрансфераз DNMT1, DNMT3A и преимущественно DNMT3B, все из которых ассоциированы с аномальными уровнями 5mC при раке. Сообщалось, что противораковый препарат цисплатин взаимодействует с 5mC.

Как биомаркер старения

"Эпигенетический возраст" относится к связи между хронологическим возрастом и уровнем метилирования ДНК в геноме. Комбинирование уровней метилирования ДНК в определенных наборах CpG, называемых "часовыми CpG", с алгоритмами, регрессирующими типичные уровни общего метилирования генома для данного хронологического возраста, позволяет предсказывать эпигенетический возраст. В молодом возрасте (0–20 лет) изменения в метилировании ДНК происходят более быстро по мере развития и роста, а затем замедляются с возрастом. Существует несколько эпигенетических оценок возраста. Часы Хорвата используют набор из 353 CpG в различных тканях, половина из которых положительно, а другая половина отрицательно коррелирует с возрастом, для оценки эпигенетического возраста. Часы Ханнума используют образцы крови взрослых для расчета возраста на основе ортогонального набора из 71 CpG. Часы Левина, известные как DNAm PhenoAge, основаны на 513 CpG и превосходят другие оценки возраста в прогнозировании смертности и продолжительности жизни, однако демонстрируют смещение при анализе некровяных тканей. Имеются данные об оценках возраста, основанных на состоянии метилирования всего лишь одного CpG в гене ELOVL2. Оценка возраста позволяет прогнозировать продолжительность жизни, основываясь на ожидаемых возрастных изменениях и состояниях, которым человек может быть подвержен, исходя из его маркеров метилирования 5mC.