La 5-metilcitosina es una forma metilada de la citosina (C) de la base del ADN que regula la transcripción de genes y asume varias otras funciones biológicas. [1] Cuando la citosina está metilada, el ADN mantiene la misma secuencia, pero la expresión de genes metilados puede alterarse (el estudio de esto forma parte del campo de la epigenética ). La 5-metilcitosina se incorpora al nucleósido 5-metilcitidina .
Nombres | |
---|---|
Nombre IUPAC preferido 4-Amino-5-metilpirimidin-2 (1 H ) -ona | |
Identificadores | |
Modelo 3D ( JSmol ) | |
3DMet | |
120387 | |
CHEBI | |
ChemSpider | |
Tarjeta de información ECHA | 100.008.236 |
Número CE |
|
KEGG | |
Malla | 5-metilcitosina |
PubChem CID | |
UNII | |
Tablero CompTox ( EPA ) | |
| |
| |
Propiedades | |
C 5 H 7 N 3 O | |
Masa molar | 125,131 g · mol −1 |
Peligros | |
Pictogramas GHS | |
Palabra de señal GHS | Advertencia |
H317 , H319 | |
P261 , P264 , P272 , P280 , P302 + 352 , P305 + 351 + 338 , P321 , P333 + 313 , P337 + 313 , P363 , P501 | |
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). | |
verificar ( ¿qué es ?) | |
Referencias de Infobox | |
En la 5-metilcitosina, un grupo metilo está unido al quinto átomo en el anillo de 6 átomos, contando en sentido antihorario desde el nitrógeno NH en la posición de las seis en punto. Este grupo metilo distingue la 5-metilcitosina de la citosina.
Descubrimiento
Mientras intentaba aislar la toxina bacteriana responsable de la tuberculosis , WG Ruppel aisló un nuevo ácido nucleico llamado ácido tuberculínico en 1898 a partir del bacilo de la tuberculosis . [2] Se encontró que el ácido nucleico era inusual, ya que contenía, además de timina , guanina y citosina , un nucleótido metilado. En 1925, Johnson y Coghill detectaron con éxito una pequeña cantidad de un derivado de citosina metilado como producto de la hidrólisis del ácido tuberculínico con ácido sulfúrico . [3] [4] Este informe fue severamente criticado porque su identificación se basó únicamente en las propiedades ópticas del picrato cristalino, y otros científicos no lograron reproducir el mismo resultado. [5] Pero su existencia fue finalmente probada en 1948, cuando Hotchkiss separó los ácidos nucleicos del ADN del timo de ternera usando cromatografía en papel , mediante la cual detectó una citosina metilada única, bastante distinta de la citosina y uracilo convencionales . [6] Después de siete décadas, resultó que también es una característica común en diferentes moléculas de ARN , aunque el papel exacto es incierto. [7]
En vivo
La función de esta sustancia química varía significativamente entre especies: [8]
- En las bacterias, la 5-metilcitosina se puede encontrar en una variedad de sitios y, a menudo, se usa como marcador para proteger el ADN de ser cortado por enzimas de restricción nativas sensibles a la metilación .
- En las plantas, la 5-metilcitosina se produce en las secuencias CpG , CpHpG y CpHpH (donde H = A, C o T).
- En hongos y animales, la 5-metilcitosina se encuentra predominantemente en los dinucleótidos CpG . La mayoría de los eucariotas metilan sólo un pequeño porcentaje de estos sitios, pero el 70-80% de las citosinas CpG están metiladas en vertebrados . En células de mamíferos, los grupos de CpG en los extremos 5 'de los genes se denominan islas CpG. [9] El 1% de todo el ADN de los mamíferos es 5 mC. [10]
Mientras que la desaminación espontánea de la citosina forma uracilo , que es reconocido y eliminado por las enzimas reparadoras del ADN, la desaminación de la 5-metilcitosina forma timina . Esta conversión de una base de ADN de citosina (C) a timina (T) puede resultar en una mutación de transición . [11] Además, la desaminación enzimática activa de citosina o 5-metilcitosina por la familia APOBEC de citosina desaminasas podría tener implicaciones beneficiosas en varios procesos celulares, así como en la evolución del organismo. [12] Las implicaciones de la desaminación en la 5-hidroximetilcitosina , por otro lado, siguen siendo menos conocidas.
In vitro
El grupo NH 2 se puede eliminar (desaminación) de la 5-metilcitosina para formar timina con el uso de reactivos tales como ácido nitroso ; la citosina se desamina a uracilo (U) en condiciones similares.
La 5-metilcitosina es resistente a la desaminación por tratamiento con bisulfito , que desamina los residuos de citosina. Esta propiedad a menudo se explota para analizar patrones de metilación de citosina de ADN con secuenciación de bisulfito . [13]
Adición y regulación con DNMT (eucariotas)
Las marcas de 5mC se colocan en el ADN genómico mediante ADN metiltransferasas (DNMT). Hay 5 DNMT en humanos: DNMT1, DNMT2, DNMT3A, DNMT3B y DNMT3L, y en algas y hongos hay 3 más presentes (DNMT4, DNMT5 y DNMT6). [14] DNMT1 contiene la secuencia de direccionamiento de focos de replicación (RFTS) y el dominio CXXC que catalizan la adición de marcas de 5mC. RFTS dirige DNMT1 a los loci de la replicación del ADN para ayudar en el mantenimiento de 5mC en las hebras hijas durante la replicación del ADN, mientras que CXXC contiene un dominio de dedo de zinc para la adición de novo de metilación al ADN. [15] Se descubrió que DNMT1 es la metiltransferasa de ADN predominante en todo el tejido humano. [16] Principalmente, DNMT3A y DNMT3B son responsables de la metilación de novo , y DNMT1 mantiene la marca de 5mC después de la replicación. [1] Los DNMT pueden interactuar entre sí para aumentar la capacidad de metilación. Por ejemplo, 2 DNMT3L pueden formar un complejo con 2 DNMT3A para mejorar las interacciones con el ADN, facilitando la metilación. [17] Los cambios en la expresión de DNMT dan como resultado una metilación aberrante. La sobreexpresión produce un aumento de la metilación, mientras que la interrupción de la enzima reduce los niveles de metilación. [dieciséis]
El mecanismo de la adición es el siguiente: primero, un residuo de cisteína en el motivo PCQ del DNMT crea un ataque nucleófilo en el carbono 6 del nucleótido de citosina que se va a metilar. La S-adenosilmetionina luego dona un grupo metilo al carbono 5. Una base en la enzima DNMT desprotona el hidrógeno residual en el carbono 5 restaurando el doble enlace entre el carbono 5 y 6 en el anillo, produciendo el par de bases 5-metilcitosina. [15]
Desmetilación
Después de que una citosina se metila a 5 mC, puede revertirse a su estado inicial a través de múltiples mecanismos. La desmetilación pasiva del ADN por dilución elimina la marca gradualmente mediante la replicación por falta de mantenimiento por parte de DNMT. En la desmetilación activa del ADN, una serie de oxidaciones lo convierte en 5-hidroximetilcitosina (5hmC), 5-formilcitosina (5fC) y 5-carboxilcitosina (5caC), y las dos últimas son finalmente escindidas por la timina ADN glicosilasa (TDG), seguidas de mediante reparación por escisión de la base (BER) para restaurar la citosina. [1] La desactivación de TDG produjo un aumento de 2 veces de 5fC sin ningún cambio estadísticamente significativo en los niveles de 5hmC, lo que indica que 5mC debe oxidarse iterativamente al menos dos veces antes de su desmetilación completa. [18] La oxidación se produce a través de las dioxigenasas ( enzimas TET ) de la familia TET (translocación diez-once ) que pueden convertir 5mC, 5hmC y 5fC en sus formas oxidadas. Sin embargo, la enzima tiene la mayor preferencia por 5mC y la velocidad de reacción inicial para conversiones de 5hmC y 5fC con TET2 es 4.9-7.6 veces más lenta. [19] La TET requiere Fe (II) como cofactor y oxígeno y α-cetoglutarato (α-KG) como sustratos, y este último sustrato se genera a partir de isocitrato por la enzima isocitrato deshidrogenasa (IDH). [20] Sin embargo, el cáncer puede producir 2-hidroxiglutarato (2HG) que compite con α-KG, reduciendo la actividad de la TET y, a su vez, reduciendo la conversión de 5mC a 5hmC. [21]
Papel en los humanos
En cáncer
En el cáncer, el ADN puede volverse demasiado metilado, denominado hipermetilación , y submetilado, denominado hipometilación. [22] Los promotores de genes superpuestos de islas CpG son metilados de novo, lo que da como resultado una inactivación aberrante de genes normalmente asociados con la inhibición del crecimiento de tumores (un ejemplo de hipermetilación). [23] Al comparar el tumor y el tejido normal, el primero tenía niveles elevados de metiltransferasas DNMT1, DNMT3A y, en su mayoría, DNMT3B, todos los cuales están asociados con los niveles anormales de 5mC en el cáncer. [16] Las secuencias repetidas en el genoma, incluido el ADN satélite, Alu y elementos intercalados largos (LINE), a menudo se ven hipometilados en el cáncer, lo que da como resultado la expresión de estos genes normalmente silenciados, y los niveles suelen ser marcadores significativos de la progresión tumoral. [22] Se ha planteado la hipótesis de que existe una conexión entre la hipermetilación y la hipometilación; La sobreactividad de las ADN metiltransferasas que producen la metilación anormal de novo de 5mC puede compensarse mediante la eliminación de la metilación, un tipo de reparación epigenética. Sin embargo, la eliminación de la metilación es ineficaz, lo que da como resultado un exceso de hipometilación en todo el genoma. También puede ser posible lo contrario; La sobreexpresión de hipometilación puede silenciarse mediante hipermetilación en todo el genoma. [22] Las capacidades distintivas del cáncer probablemente se adquieran a través de cambios epigenéticos que alteran los 5mC tanto en las células cancerosas como en el estroma asociado al tumor circundante dentro del microambiente del tumor. [24] Se ha informado que el fármaco contra el cáncer cisplatino reacciona con 5mC. [25]
Como biomarcador del envejecimiento
"Edad epigenética" se refiere a la conexión entre la edad cronológica y los niveles de metilación del ADN en el genoma. [26] El acoplamiento de los niveles de metilación del ADN, en conjuntos específicos de CpG llamados "CpG de reloj", con algoritmos que regresan los niveles típicos de metilación colectiva de todo el genoma en una edad cronológica determinada, permite la predicción de la edad epigenética. Durante la juventud (0-20 años), los cambios en la metilación del ADN ocurren a un ritmo más rápido a medida que avanza el desarrollo y el crecimiento, y los cambios comienzan a disminuir a edades más avanzadas. Existen múltiples estimadores de edad epigenética. El reloj de Horvath mide un conjunto de tejidos múltiples de 353 CpG, la mitad de los cuales se correlacionan positivamente con la edad y la otra mitad negativamente, para estimar la edad epigenética. [27] El reloj de Hannum utiliza muestras de sangre de adultos para calcular la edad basándose en una base ortogonal de 71 CpG. [28] El reloj de Levine, conocido como DNAm PhenoAge, depende de 513 CpG y supera a los otros estimadores de edad para predecir la mortalidad y la esperanza de vida, pero muestra un sesgo con los tejidos no sanguíneos. [29] Hay informes de estimadores de edad con el estado de metilación de un solo CpG en el gen ELOVL2. [30] La estimación de la edad permite predecir la esperanza de vida a través de las expectativas de las condiciones relacionadas con la edad a las que pueden estar sujetos los individuos según sus marcadores de metilación de 5mC.
Referencias
- ^ a b c Wu, Xiaoji; Zhang, Yi (30 de mayo de 2017). "Desmetilación de ADN activa mediada por TET: mecanismo, función y más allá". Nature Reviews Genética . 18 (9): 517–534. doi : 10.1038 / nrg.2017.33 . ISSN 1471-0056 . PMID 28555658 . S2CID 3393814 .
- ^ Matthews AP (2012). Química fisiológica . Williams & Wilkins Company /. pag. 167. ISBN 978-1130145373.
- ^ Johnson TB, Coghill RD (1925). "El descubrimiento de la 5-metil-citosina en el ácido tuberculínico, el ácido nucleico del bacilo del tubérculo ". J Am Chem Soc . 47 (11): 2838–2844. doi : 10.1021 / ja01688a030 .
- ^ Grosjean H (2009). Los ácidos nucleicos no son polímeros largos aburridos de solo cuatro tipos de nucleótidos: una visita guiada . Landes Bioscience.
- ^ Vischer E, Zamenhof S, Chargaff E (1949). "Ácidos nucleicos microbianos: los ácidos nucleicos desoxipentosa de los bacilos de la tuberculosis aviar y la levadura" . J Biol Chem . 177 (1): 429–438. doi : 10.1016 / S0021-9258 (18) 57100-3 . PMID 18107446 .
- ^ Hotchkiss RD (1948). "La separación cuantitativa de purinas, pirimidinas y nucleósidos mediante cromatografía en papel" . J Biol Chem . 175 (1): 315–332. doi : 10.1016 / S0021-9258 (18) 57261-6 . PMID 18873306 .
- ^ Squires JE, Patel HR, Nousch M, Sibbritt T, Humphreys DT, Parker BJ, Suter CM, Preiss T (2012). "Aparición generalizada de 5-metilcitosina en ARN codificante y no codificante humano" . Ácidos nucleicos Res . 40 (11): 5023–5033. doi : 10.1093 / nar / gks144 . PMC 3367185 . PMID 22344696 .
- ^ Colot V, Rossignol JL (1999). "Metilación del ADN eucariota como dispositivo evolutivo". BioEssays . 21 (5): 402–411. doi : 10.1002 / (SICI) 1521-1878 (199905) 21: 5 <402 :: AID-BIES7> 3.0.CO; 2-B . PMID 10376011 .
- ^ Bird, Adrian P. (mayo de 1986). "Islas ricas en CpG y la función de metilación del ADN". Naturaleza . 321 (6067): 209–213. Código Bibliográfico : 1986Natur.321..209B . doi : 10.1038 / 321209a0 . ISSN 0028-0836 . PMID 2423876 . S2CID 4236677 .
- ^ Ehrlich, M .; Wang, RY (19 de junio de 1981). "5-Metilcitosina en ADN eucariota". Ciencia . 212 (4501): 1350-1357. Código Bibliográfico : 1981Sci ... 212.1350E . doi : 10.1126 / science.6262918 . ISSN 0036-8075 . PMID 6262918 .
- ^ Sassa A, Kanemaru Y, Kamoshita N, Honma M, Yasui M (2016). "Consecuencias mutagénicas de las alteraciones de la citosina incrustadas específicamente en el sitio del genoma humano" . Genes y Environ . 38 (1): 17. doi : 10.1186 / s41021-016-0045-9 . PMC 5007816 . PMID 27588157 .
- ^ Chahwan R, Wontakal SN, Roa S (2010). "Cruce entre información genética y epigenética a través de la desaminación de citosina". Tendencias en Genética . 26 (10): 443–448. doi : 10.1016 / j.tig.2010.07.005 . PMID 20800313 .
- ^ Clark SJ, Harrison J, Paul CL, Frommer M (1994). "Mapeo de alta sensibilidad de citosinas metiladas" . Ácidos nucleicos Res . 22 (15): 2990–2997. doi : 10.1093 / nar / 22.15.2990 . PMC 310266 . PMID 8065911 .
- ^ Ponger, Loïc; Li, Wen-Hsiung (1 de abril de 2005). "Diversificación evolutiva de ADN metiltransferasas en genomas eucariotas" . Biología Molecular y Evolución . 22 (4): 1119–1128. doi : 10.1093 / molbev / msi098 . ISSN 0737-4038 . PMID 15689527 .
- ^ a b Lyko, Frank (febrero de 2018). "La familia de ADN metiltransferasa: un conjunto de herramientas versátil para la regulación epigenética". Nature Reviews Genética . 19 (2): 81–92. doi : 10.1038 / nrg.2017.80 . ISSN 1471-0064 . PMID 29033456 . S2CID 23370418 .
- ^ a b c Robertson, KD; Uzvolgyi, E; Liang, G; Talmadge, C; Sumegi, J; Gonzales, FA; Jones, PA (1 de junio de 1999). "Las metiltransferasas de ADN humano (DNMT) 1, 3a y 3b: coordinan la expresión del ARNm en tejidos normales y la sobreexpresión en tumores" . Investigación de ácidos nucleicos . 27 (11): 2291–2298. doi : 10.1093 / nar / 27.11.2291 . ISSN 0305-1048 . PMC 148793 . PMID 10325416 .
- ^ Jia, Da; Jurkowska, Renata Z .; Zhang, Xing; Jeltsch, Albert; Cheng, Xiaodong (septiembre de 2007). "La estructura de Dnmt3a unida a Dnmt3L sugiere un modelo para la metilación del ADN de novo" . Naturaleza . 449 (7159): 248–251. Código Bibliográfico : 2007Natur.449..248J . doi : 10.1038 / nature06146 . ISSN 1476-4687 . PMC 2712830 . PMID 17713477 .
- ^ Song, Chun-Xiao; Szulwach, Keith E .; Dai, Qing; Fu, Ye; Mao, Shi-Qing; Lin, Li; Calle, Craig; Li, Yujing; Poidevin, Mickael; Wu, Hao; Gao, Juan (25 de abril de 2013). "El perfil de todo el genoma de 5-formilcitosina revela sus funciones en el cebado epigenético" . Celular . 153 (3): 678–691. doi : 10.1016 / j.cell.2013.04.001 . ISSN 1097-4172 . PMC 3657391 . PMID 23602153 .
- ^ Ito, Shinsuke; Shen, Li; Dai, Qing; Wu, Susan C .; Collins, Leonard B .; Swenberg, James A .; Él, Chuan; Zhang, Yi (2 de septiembre de 2011). "Las proteínas Tet pueden convertir 5-metilcitosina en 5-formilcitosina y 5-carboxilcitosina" . Ciencia . 333 (6047): 1300-1303. Código Bibliográfico : 2011Sci ... 333.1300I . doi : 10.1126 / science.1210597 . ISSN 0036-8075 . PMC 3495246 . PMID 21778364 .
- ^ Lu, Xingyu; Zhao, Boxuan Simen; Él, Chuan (12 de febrero de 2015). "Proteínas de la familia TET: actividad de oxidación, moléculas interactivas y funciones en enfermedades" . Revisiones químicas . 115 (6): 2225–2239. doi : 10.1021 / cr500470n . ISSN 0009-2665 . PMC 4784441 . PMID 25675246 .
- ^ Xu, Wei; Yang, Hui; Liu, Ying; Yang, Ying; Wang, Ping; Kim, Se-Hee; Ito, Shinsuke; Yang, Chen; Wang, Pu; Xiao, Meng-Tao; Liu, Li-xia (18 de enero de 2011). "Oncometabolito 2-hidroxiglutarato es un inhibidor competitivo de dioxigenasas dependientes de α-cetoglutarato" . Célula cancerosa . 19 (1): 17–30. doi : 10.1016 / j.ccr.2010.12.014 . ISSN 1535-6108 . PMC 3229304 . PMID 21251613 .
- ^ a b c Ehrlich, Melanie (1 de diciembre de 2009). "Hipometilación del ADN en células cancerosas" . Epigenómica . 1 (2): 239-259. doi : 10.2217 / epi.09.33 . ISSN 1750-1911 . PMC 2873040 . PMID 20495664 .
- ^ Jones, Peter A. (1 de junio de 1996). "Errores de metilación del ADN y cáncer" . Investigación del cáncer . 56 (11): 2463–2467. ISSN 0008-5472 . PMID 8653676 .
- ^ Hanahan, Douglas; Weinberg, Robert A. (4 de marzo de 2011). "Distintivos del cáncer: la próxima generación" . Celular . 144 (5): 646–674. doi : 10.1016 / j.cell.2011.02.013 . ISSN 0092-8674 . PMID 21376230 .
- ^ Menke, Annika; Dubini, Romeo CA; Mayer, Peter; Rovó, Petra; Daumann, Lena (23 de octubre de 2020). "Formación de aductos de cisplatino con la nucleobase 5-metilcitosina epigenéticamente relevante" . Revista europea de química inorgánica . 2021 : 30–36. doi : 10.1002 / ejic.202000898 . ISSN 1434-1948 .
- ^ Horvath, Steve; Raj, Kenneth (junio de 2018). "Biomarcadores basados en la metilación del ADN y la teoría del envejecimiento del reloj epigenético". Nature Reviews Genética . 19 (6): 371–384. doi : 10.1038 / s41576-018-0004-3 . ISSN 1471-0064 . PMID 29643443 . S2CID 4709691 .
- ^ Horvath, Steve (10 de diciembre de 2013). "Edad de metilación del ADN de tipos de células y tejidos humanos" . Biología del genoma . 14 (10): 3156. doi : 10.1186 / gb-2013-14-10-r115 . ISSN 1474-760X . PMC 4015143 . PMID 24138928 .
- ^ Hannum, Gregory; Guinney, Justin; Zhao, Ling; Zhang, Li; Hughes, Guy; Sadda, SriniVas; Klotzle, Brandy; Bibikova, Marina; Fan, Jian-Bing; Gao, Yuan; Deconde, Rob (24 de enero de 2013). "Los perfiles de metilación de todo el genoma revelan puntos de vista cuantitativos de las tasas de envejecimiento humano" . Célula molecular . 49 (2): 359–367. doi : 10.1016 / j.molcel.2012.10.016 . ISSN 1097-2765 . PMC 3780611 . PMID 23177740 .
- ^ Levine, Morgan E .; Lu, Ake T .; Quach, Austin; Chen, Brian H .; Assimes, Themistocles L .; Bandinelli, Stefania; Hou, Lifang; Baccarelli, Andrea A .; Stewart, James D .; Li, Yun; Whitsel, Eric A. (17 de abril de 2018). "Un biomarcador epigenético del envejecimiento para la vida útil y la vida útil" . Envejecimiento (Albany NY) . 10 (4): 573–591. doi : 10.18632 / envejecimiento.101414 . ISSN 1945-4589 . PMC 5940111 . PMID 29676998 .
- ^ Garagnani, Paolo; Bacalini, Maria G .; Pirazzini, Chiara; Gori, Davide; Giuliani, Cristina; Mari, Daniela; Blasio, Anna M. Di; Gentilini, Davide; Vitale, Giovanni; Collino, Sebastiano; Rezzi, Serge (2012). "Metilación del gen ELOVL2 como nuevo marcador epigenético de la edad". Célula de envejecimiento . 11 (6): 1132-1134. doi : 10.1111 / acel.12005 . hdl : 11585/128353 . ISSN 1474-9726 . PMID 23061750 . S2CID 8775590 .
Literatura
- Griffiths, Anthony JF (1999). Introducción al análisis genético . San Francisco: WH Freeman. Capítulo 15: Mutación genética. ISBN 0-7167-3520-2.( disponible en línea en el Centro Nacional de Información Biotecnológica de los Estados Unidos )