ДНК-метилтрансферазы: структура, функции и роль в эпигенетике.

Введение

Класс ферментов

В биохимии семейство ферментов ДНК-метилтрансфераз (ДНК МТаза, DNMT) катализирует перенос метильной группы на ДНК. Метилирование ДНК выполняет широкий спектр биологических функций. Все известные ДНК-метилтрансферазы используют S-аденозилметионин (SAM) в качестве донора метильной группы.

De novo против обслуживания

Де-ново метилтрансферазы распознают определенные участки в ДНК, позволяющие им осуществлять новое метилирование цитозинов. Они экспрессируются преимущественно на ранних стадиях развития эмбриона и формируют паттерн метилирования. Де-ново метилтрансферазы также активируются, когда клетке, реагирующей на сигналы, например, нейрону, требуется изменить экспрессию белков. Например, при формировании памяти в результате обусловливания страха у крысы, 9,17% генов в геноме нейронов гиппокампа подвергаются дифференциальному метилированию. Метилтрансферазы поддержания добавляют метильные группы к ДНК, когда одна из цепей уже метилирована. Они функционируют на протяжении всей жизни организма, поддерживая паттерн метилирования, изначально установленный де-ново метилтрансферазами.

млекопитающие

У млекопитающих было выявлено по меньшей мере четыре различно активные ДНК-метилтрансферазы. Они называются DNMT1, две изоформы, транскрибированные из гена DNMT3a: DNMT3a1 и DNMT3a2, и DNMT3b. Недавно был обнаружен еще один фермент, DNMT3c, который специфически экспрессируется в мужской половой линии мыши. Манцо и соавторы отметили различия в геномном связывании DNMT3a1, DNMT3a2 и DNMT3b. Они обнаружили 3970 регионов, обогащенных исключительно DNMT3a1, 3838 – исключительно DNMT3a2 и 3432 – исключительно DNMT3b. Ферменты DNMT регулируются не только в отношении мест метилирования в геноме, определяемых их связыванием с ДНК, но также рассмотрена взаимосвязь между метилированием ДНК и метилированием лизина в гистонах. Например, они показали, что H3K4me3, по-видимому, блокирует метилирование ДНК, в то время как H3K9me3 играет роль в его стимулировании. DNMT3L – это белок, тесно связанный по структуре с DNMT3a и DNMT3b и критически важный для метилирования ДНК, но, по-видимому, сам по себе неактивен.

DNMT1

DNMT1 является наиболее распространенной ДНК-метилтрансферазой в клетках млекопитающих и считается ключевой метилтрансферазой, обеспечивающей поддержание метилирования у млекопитающих. Он преимущественно метилирует гемиметилированные динуклеотиды CpG в геноме млекопитающих. Мотив распознавания для человеческого фермента включает только три основания из динуклеотидной пары CpG: C на одной цепи и CpG на другой. Это ослабленное требование к специфичности субстрата позволяет ему метилировать необычные структуры, такие как интермедиаты сдвига ДНК, с частотой de novo, равной частоте поддержания метилирования. Как и другие ДНК-цитозин-5-метилтрансферазы, человеческий фермент распознает вывернутые цитозины в двухцепочечной ДНК и функционирует посредством нуклеофильного механизма атаки. В раковых клетках человека DNMT1 отвечает как за de novo, так и за поддерживающее метилирование генов-супрессоров опухолей. Фермент состоит примерно из 1620 аминокислот. Первые 1100 аминокислот составляют регуляторный домен фермента, а остальные – каталитический домен. Эти домены соединены повторами Gly-Lys. Оба домена необходимы для каталитической функции DNMT1. DNMT1 имеет несколько изоформ: соматическую DNMT1, вариант сплайсинга (DNMT1b) и изоформу, специфичную для ооцитов (DNMT1o). DNMT1o синтезируется и накапливается в цитоплазме ооцита и перемещается в ядро клетки в ходе раннего эмбрионального развития, в то время как соматическая DNMT1 всегда находится в ядре соматических тканей. Эмбриональные стволовые клетки с нокаутом гена DNMT1 были жизнеспособны и содержали небольшой процент метилированной ДНК и метилтрансферазную активность. Мышиные эмбрионы, гомозиготные по делеции гена Dnmt1, погибают на 10–11-й день беременности.

TRDMT1

Хотя этот фермент обладает значительным сходством последовательностей с 5-метилцитозин-метилтрансферазами как прокариот, так и эукариот, в 2006 году было показано, что он метилирует 38-ю позицию в транспортной РНК аспарагиновой кислоты и не метилирует ДНК. Название этой метилтрансферазы было изменено с DNMT2 на TRDMT1 (tRNA-метилтрансфераза аспарагиновой кислоты 1), чтобы точнее отражать её биологическую функцию. TRDMT1 является первой идентифицированной в клетках человека РНК-цитозин-метилтрансферазой.

DNMT3

DNMT3 – это семейство ДНК-метилтрансфераз, способных метилировать гемиметилированные и неметилированные CpG-сайты с одинаковой скоростью. Архитектура ферментов DNMT3 аналогична структуре ферментов DNMT1, с регуляторным доменом, присоединенным к каталитическому домену. В семействе DNMT3 насчитывается не менее пяти членов: DNMT3a1, DNMT3a2, 3b, 3c и 3L. DNMT3a1, DNMT3a2 и DNMT3b могут опосредовать метилирование CpG-сайтов в промоторах генов, приводя к репрессии генов. Эти ДНК-метилтрансферазы также могут метилировать CpG-сайты в кодирующих областях генов, где такое метилирование может усиливать транскрипцию генов. Исследования DNMT3a1 показали, что он преимущественно локализуется в CpG-островах, несущих бивалентные метки H3K4me3 (маркер, стимулирующий транскрипцию) и H3K27me3 (маркер, подавляющий транскрипцию), что совпадает с промоторами многих факторов транскрипции. Исследования DNMT3a2 в нейронах выявили, что изменения метилирования ДНК, вызванные DNMT3a2, преимущественно происходят в интерогенных и интронных областях. Предполагается, что эти интерогенные и интронные метилирования ДНК, вероятно, регулируют активность энхансеров, альтернативный сплайсинг или экспрессию некодирующих РНК. DNMT3a1 может колокализоваться с гетерохроматиновым белком (HP1) и метил-CpG-связывающим белком (MeCBP), а также с рядом других факторов. Они также могут взаимодействовать с DNMT1, что может быть кооперативным событием в процессе метилирования ДНК. DNMT3a предпочитает метилирование CpG по сравнению с метилированием CpA, CpT и CpC, хотя для DNMT3a и DNMT3b наблюдается некоторая зависимость метилирования от последовательности. DNMT3a метилирует CpG-сайты со скоростью, значительно более медленной, чем DNMT1, но более высокой, чем DNMT3b. Экспрессия DNMT3a2 отличается от экспрессии DNMT3a1 и DNMT3b, поскольку экспрессия DNMT3a2 происходит по схеме, характерной для генов ранней активации. DNMT3a2 индуцируется к экспрессии в нейронах, например, при новой нейронной активности. У крыс высокие уровни нового метилирования ДНК в нейронах гиппокампа наблюдаются после воздействия запоминающегося события, такого как обусловленное страхом в контексте. Было показано, что ингибиторы DNMT, применяемые в мозге, предотвращают формирование долговременной памяти. DNMT3L содержит мотивы ДНК-метилтрансферазы и необходим для установления материнских геномных отпечатков, несмотря на свою каталитическую неактивность. DNMT3L экспрессируется во время гаметогенеза, когда происходит геномный импринтинг. Потеря DNMT3L приводит к биаллельной экспрессии генов, которые обычно не экспрессируются материнской аллелью. DNMT3L взаимодействует с DNMT3a и DNMT3b и колокализуется в ядре. Хотя DNMT3L, по-видимому, не способен к метилированию, он может участвовать в транскрипционной репрессии.

DNMT3 is a family of DNA methyltransferases that could methylate hemimethylated and unmethylated CpG at the same rate. The architecture of DNMT3 enzymes is similar to that of DNMT1, with a regulatory region attached to a catalytic domain. There are at least five members of the DNMT3 family: DNMT3a1, DNMT3a2, 3b, 3c and 3L. DNMT3a1, DNMT3a2 and DNMT3b can mediate methylation of CpG sites in gene promoters, resulting in gene repression. These DNA methyltransferases can also methylate CpG sites within the coding regions of genes, where such methylation can increase gene transcription. Work with DNMT3a1 showed it preferentially localized to CpG islands bivalently marked by H3K4me3 (a transcription promoting mark) and H3K27me3 (a transcription repressive mark), coinciding with the promoters of many transcription factors. Work with DNMT3a2, in neurons, found that the DNA methylation changes caused by DNMT3a2 predominantly occur in intergenic and intronic regions. These intergenic and intronic DNA methylations were thought to likely regulate enhancer activity, alternative splicing or the expression of non coding RNAs. DNMT3a1 can co localize with heterochromatin protein (HP1) and methyl CpG binding protein (MeCBP), among a number of other factors. They can also interact with DNMT1, which might be a co operative event during DNA methylation. DNMT3a prefers CpG methylation to CpA, CpT, and CpC methylation, though there appears to be some sequence preference of methylation for DNMT3a and DNMT3b. DNMT3a methylates CpG sites at a rate much slower than DNMT1, but greater than DNMT3b. The expression of DNMT3a2 differs from DNMT3a1 and DNMT3b because DNMT3a2 expression occurs in the pattern of an immediate early gene. DNMT3a2 is induced to express in neurons, for instance, by new neuronal activity. In a rat, high levels of new DNA methylations in neurons of the hippocampus occur after a memorable event is imposed on a rat, such as contextual fear conditioning. found that DNMT inhibitors, applied in the brain, prevented long term memories from forming. DNMT3L contains DNA methyltransferase motifs and is required for establishing maternal genomic imprints, despite being catalytically inactive. DNMT3L is expressed during gametogenesis when genomic imprinting takes place. The loss of DNMT3L leads to bi allelic expression of genes normally not expressed by the maternal allele. DNMT3L interacts with DNMT3a and DNMT3b and co localized in the nucleus. Though DNMT3L appears incapable of methylation, it may participate in transcriptional repression.