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5-metilcitosina

La 5-metilcitosina ( 5mC , m5C ) es una forma metilada de la base de ADN citosina (C) que regula la transcripción genética y desempeña varias otras funciones biológicas. [ 1 ] C...

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La 5-metilcitosina ( 5mC , m5C ) es una forma metilada de la base de ADN citosina (C) que regula la transcripción genética y desempeña varias otras funciones biológicas. [ 1 ] Cuando la citosina está metilada, el ADN mantiene la misma secuencia, pero la expresión de los genes metilados puede alterarse (el estudio de esto forma parte del campo de la epigenética ). La 5-metilcitosina se incorpora al nucleósido 5-metilcitidina .

Descubrimiento

Mientras intentaba aislar la toxina bacteriana responsable de la tuberculosis , WG Ruppel aisló un nuevo ácido nucleico llamado ácido tuberculínico en 1898 del bacilo tuberculoso . [ 2 ] Se descubrió 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 metilada 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 ternero usando cromatografía en papel , por la cual detectó una citosina metilada única, bastante distinta de la citosina y el uracilo convencionales . [ 6 ] Después de siete décadas, se descubrió que también es una característica común en diferentes moléculas de ARN , aunque su función precisa es incierta. [ 7 ]

In vivo

La función de este compuesto químico varía significativamente entre especies: [ 8 ]

  • En las bacterias, la 5-metilcitosina se puede encontrar en diversos sitios y se utiliza a menudo 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 encuentra en las secuencias CpG , CpHpG y CpHpH (donde H = A, C o T).
  • En hongos y animales, la 5-metilcitosina se encuentra predominantemente en dinucleótidos CpG . La mayoría de los eucariotas metilan solo un pequeño porcentaje de estos sitios, pero en los vertebrados se metilan entre el 70 y el 80 % de las citosinas CpG . En las 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 5mC. [ 10 ]

Mientras que la desaminación espontánea de la citosina forma uracilo , que es reconocido y eliminado por enzimas de reparación 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 la citosina o la 5-metilcitosina por la familia APOBEC de desaminasas de citosina podría tener implicaciones beneficiosas en varios procesos celulares, así como en la evolución de los organismos. [ 12 ] Por otro lado, las implicaciones de la desaminación en la 5-hidroximetilcitosina siguen siendo menos comprendidas.

In vitro

El grupo NH 2 puede eliminarse (desaminación) de la 5-metilcitosina para formar timina con el uso de reactivos como el ácido nitroso ; la citosina se desamina a uracilo (U) en condiciones similares.

Desaminación de 5-metilcitosina a timina

La 5-metilcitosina es resistente a la desaminación por tratamiento con bisulfito , que desamina los residuos de citosina. Esta propiedad se aprovecha a menudo para analizar los patrones de metilación de la citosina del ADN mediante secuenciación con bisulfito . [ 13 ]

Adición y regulación con DNMT (eucariotas)

Las marcas 5mC se colocan en el ADN genómico a través de las ADN metiltransferasas (DNMT). Hay 5 DNMT en humanos: DNMT1, DNMT2, DNMT3A, DNMT3B y DNMT3L, y en algas y hongos están presentes 3 más (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 5mC. RFTS dirige a DNMT1 a los loci de 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 encontró que DNMT1 es la ADN metiltransferasa predominante en todos los tejidos humanos. [ 16 ] Principalmente, DNMT3A y DNMT3B son responsables de la metilación de novo , y DNMT1 mantiene la marca 5mC después de la replicación. [ 1 ] Las 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 una mayor metilación, mientras que la interrupción de la enzima disminuye los niveles de metilación. [ 16 ]

Mecanismo de reacción de la DNMT
Adición de un grupo metilo a la citosina

El mecanismo de adición es el siguiente: primero, un residuo de cisteína en el motivo PCQ de la DNMT realiza un ataque nucleofílico en el carbono 6 del nucleótido de citosina que se va a metilar. La S-adenosilmetionina dona entonces 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 los carbonos 5 y 6 del anillo, lo que produce el par de bases 5-metilcitosina. [ 15 ]

Desmetilación

Después de que una citosina se metila a 5mC, puede revertirse a su estado inicial a través de múltiples mecanismos. La desmetilación pasiva del ADN por dilución elimina la marca gradualmente a través de la replicación por falta de mantenimiento por parte de DNMT. En la desmetilación activa del ADN, una serie de oxidaciones la convierte en 5-hidroximetilcitosina (5hmC), 5-formilcitosina (5fC) y 5-carboxilcitosina (5caC), y las dos últimas son finalmente escindidas por la timidina ADN glicosilasa (TDG), seguida de la reparación por escisión de bases (BER) para restaurar la citosina. [ 1 ] La eliminación 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 ocurre a través de las dioxigenasas de la familia TET (translocación diez-once) ( enzimas TET ) que pueden convertir 5mC, 5hmC y 5fC a sus formas oxidadas. Sin embargo, la enzima tiene la mayor preferencia por 5mC y la velocidad de reacción inicial para las conversiones de 5hmC y 5fC con TET2 es 4,9-7,6 veces más lenta. [ 19 ] 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 TET y, a su vez, reduciendo la conversión de 5mC a 5hmC. [ 21 ]

Función en los seres humanos

En el cáncer

En el cáncer, el ADN puede volverse tanto hipermetilado, denominado hipermetilación , como hipometilado, denominado hipometilación. [ 22 ] Las islas CpG que se superponen a los promotores de genes se metilan de novo , lo que resulta en la inactivación aberrante de genes normalmente asociados con la inhibición del crecimiento de tumores (un ejemplo de hipermetilación). [ 23 ] Al comparar el tejido tumoral y el tejido normal, el primero tenía niveles elevados de las metiltransferasas DNMT1, DNMT3A y principalmente DNMT3B, todas las cuales están asociadas con los niveles anormales de 5mC en el cáncer. [ 16 ] Las secuencias repetidas en el genoma, incluido el ADN satélite, Alu y los elementos intercalados largos (LINE), a menudo se observan hipometiladas en el cáncer, lo que resulta en la expresión de estos genes normalmente silenciados, y los niveles a menudo son marcadores significativos de la progresión del tumor. [ 22 ] Se ha planteado la hipótesis de que existe una conexión entre la hipermetilación y la hipometilación; La hiperactividad 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 ineficiente, lo que resulta en una sobreexpresión de hipometilación en todo el genoma. También puede ocurrir lo contrario; la sobreexpresión de la hipometilación puede silenciarse mediante la hipermetilación en todo el genoma. [ 22 ] Es probable que las capacidades características del cáncer se adquieran a través de cambios epigenéticos que alteran el 5mC tanto en las células cancerosas como en el estroma tumoral circundante dentro del microambiente tumoral. [ 24 ] Se ha informado que el fármaco anticancerígeno cisplatino reacciona con el 5mC. [ 25 ]

Como biomarcador del envejecimiento

La "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 en todo el genoma a una edad cronológica dada, 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 progresa el desarrollo y el crecimiento, y los cambios comienzan a ralentizarse en edades más avanzadas. Existen múltiples estimadores de la edad epigenética. El reloj de Horvath mide un conjunto de 353 CpG de múltiples tejidos, 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 CpGs y supera a los otros estimadores de edad en la predicción de la mortalidad y la esperanza de vida, aunque muestra sesgo con 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 expectativas de condiciones relacionadas con la edad a las que los individuos pueden estar sujetos según sus marcadores de metilación de 5mC.

Referencias

  1. 1 2 3 Wu X, Zhang Y (2017-05-30). "Desmetilación activa del ADN mediada por TET: mecanismo, función y más allá". Nature Reviews Genetics . 18 (9): 517– 534. doi : 10.1038/nrg.2017.33 . ISSN 1471-0056 . PMID 28555658 . S2CID 3393814 .   
  2. ↑ Matthews AP (2012). Química fisiológica . Williams & Wilkins Company/. pág. 167. ISBN  978-1130145373.
  3. ↑ Johnson TB, Coghill RD (1925). "El descubrimiento de la 5-metilcitosina en el ácido tuberculínico, el ácido nucleico del bacilo de la tuberculosis ". J Am Chem Soc . 47 (11): 2838– 2844. doi : 10.1021/ja01688a030 .
  4. ↑ Grosjean H (2009). Los ácidos nucleicos no son aburridos polímeros largos de solo cuatro tipos de nucleótidos: una visita guiada . Landes Bioscience.
  5. ↑ Vischer E, Zamenhof S, Chargaff E (1949). "Ácidos nucleicos microbianos: los ácidos nucleicos desoxipentosa de los bacilos tuberculosos aviares y la levadura" . J Biol Chem . 177 (1): 429– 438. doi : 10.1016/S0021-9258(18)57100-3 . PMID 18107446 . 
  6. ↑ 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 . 
  7. ↑ Squires JE, Patel HR, Nousch M, Sibbritt T, Humphreys DT, Parker BJ, Suter CM, Preiss T (2012). "Presencia generalizada de 5 -metilcitosina en ARN codificante y no codificante humano" . Nucleic Acids Res . 40 (11): 5023– 5033. doi : 10.1093/nar/gks144 . PMC 3367185. PMID 22344696 .  
  8. ↑ Colot V, Rossignol JL (1999). "Metilación del ADN eucariota como un 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 . S2CID 10784130 .  
  9. ↑ Bird AP (mayo de 1986). "Islas ricas en CpG y la función de la metilación del ADN". Nature . 321 ( 6067): 209– 213. Bibcode : 1986Natur.321..209B . doi : 10.1038/321209a0 . ISSN 0028-0836 . PMID 2423876. S2CID 4236677 .   
  10. ↑ Ehrlich M, Wang RY (1981-06-19). "5-Metilcitosina en el ADN eucariota". Science . 212 (4501): 1350– 1357. Bibcode : 1981Sci...212.1350E . doi : 10.1126/science.6262918 . ISSN 0036-8075 . PMID 6262918 .  
  11. ↑ Sassa A, Kanemaru Y, Kamoshita N, Honma M, Yasui M (2016). "Consecuencias mutagénicas de alteraciones de citosina insertadas de forma específica en el genoma humano" . Genes and Environment . 38 (1) 17. Bibcode : 2016GeneE..38...17S . doi : 10.1186/s41021-016-0045-9 . PMC 5007816. PMID 27588157 .  
  12. ↑ Chahwan R, Wontakal SN, Roa S (2010). "Interacción entre información genética y epigenética a través de la desaminación de citosina". Trends in Genetics . 26 (10): 443– 448. doi : 10.1016/j.tig.2010.07.005 . PMID 20800313 . 
  13. ↑ Clark SJ, Harrison J, Paul CL, Frommer M (1994). "Mapeo de alta sensibilidad de citosinas metiladas" . Nucleic Acids Res . 22 (15): 2990– 2997. doi : 10.1093/nar/22.15.2990 . PMC 310266. PMID 8065911 .  
  14. ↑ Ponger L, Li WH (2005-04-01). "Diversificación evolutiva de las metiltransferasas de ADN en genomas eucariotas" . Biología molecular y evolución . 22 (4): 1119– 1128. doi : 10.1093/molbev/msi098 . ISSN 0737-4038 . PMID 15689527 .  
  15. 1 2 Lyko F (febrero de 2018). "La familia de la ADN metiltransferasa: un conjunto de herramientas versátil para la regulación epigenética". Nature Reviews Genetics . 19 (2): 81– 92. doi : 10.1038/nrg.2017.80 . ISSN 1471-0064 . PMID 29033456 . S2CID 23370418 .   
  16. 1 2 3 Robertson KD, Uzvolgyi E, Liang G, Talmadge C, Sumegi J, Gonzales FA, Jones PA (1999-06-01). "Las metiltransferasas de ADN humanas (DNMT) 1, 3a y 3b: expresión coordinada de ARNm en tejidos normales y sobreexpresión en tumores" . Nucleic Acids Research . 27 (11): 2291– 2298. doi : 10.1093/nar/27.11.2291 . ISSN 0305-1048 . PMC 148793. PMID 10325416 .   
  17. ↑Jia D, Jurkowska RZ, Zhang X, Jeltsch A, Cheng X (September 2007). "Structure of Dnmt3a bound to Dnmt3L suggests a model for de novo DNA methylation". Nature. 449 (7159): 248–251. Bibcode:2007Natur.449..248J. doi:10.1038/nature06146. ISSN 1476-4687. PMC 2712830. PMID 17713477.
  18. ↑Song CX, Szulwach KE, Dai Q, Fu Y, Mao SQ, Lin L, Street C, Li Y, Poidevin M, Wu H, Gao J (2013-04-25). "Genome-wide profiling of 5-formylcytosine reveals its roles in epigenetic priming". Cell. 153 (3): 678–691. doi:10.1016/j.cell.2013.04.001. ISSN 1097-4172. PMC 3657391. PMID 23602153.
  19. ↑Ito S, Shen L, Dai Q, Wu SC, Collins LB, Swenberg JA, He C, Zhang Y (2011-09-02). "Tet Proteins Can Convert 5-Methylcytosine to 5-Formylcytosine and 5-Carboxylcytosine". Science. 333 (6047): 1300–1303. Bibcode:2011Sci...333.1300I. doi:10.1126/science.1210597. ISSN 0036-8075. PMC 3495246. PMID 21778364.
  20. ↑Lu X, Zhao BS, He C (2015-02-12). "TET Family Proteins: Oxidation Activity, Interacting Molecules, and Functions in Diseases". Chemical Reviews. 115 (6): 2225–2239. doi:10.1021/cr500470n. ISSN 0009-2665. PMC 4784441. PMID 25675246.
  21. ↑Xu W, Yang H, Liu Y, Yang Y, Wang P, Kim SH, Ito S, Yang C, Wang P, Xiao MT, Liu Lx (2011-01-18). "Oncometabolite 2-Hydroxyglutarate Is a Competitive Inhibitor of α-Ketoglutarate-Dependent Dioxygenases". Cancer Cell. 19 (1): 17–30. doi:10.1016/j.ccr.2010.12.014. ISSN 1535-6108. PMC 3229304. PMID 21251613.
  22. 1 2 3 Ehrlich M (2009-12-01). " Hipometilación del ADN en células cancerosas" . Epigenómica . 1 (2): 239– 259. doi : 10.2217/epi.09.33 . ISSN 1750-1911 . PMC 2873040. PMID 20495664 .   
  23. ↑ Jones PA (1996-06-01). "Errores de metilación del ADN y cáncer" . Cancer Research . 56 (11): 2463– 2467. ISSN 0008-5472 . PMID 8653676 .  
  24. ↑ Hanahan D, Weinberg RA (2011-03-04). "Características distintivas del cáncer: la próxima generación" (PDF) . Cell . 144 (5): 646– 674. doi : 10.1016/j.cell.2011.02.013 . ISSN 0092-8674 . PMID 21376230 .  
  25. ↑ Menke A, Dubini RC, Mayer P, Rovó P, Daumann L (23 de octubre de 2020). "Formación de aductos de cisplatino con la nucleobase 5-metilcitosina, relevante desde el punto de vista epigenético" . European Journal of Inorganic Chemistry . 2021 : 30–36 . doi : 10.1002/ejic.202000898 . ISSN 1434-1948 . 
  26. ↑ Horvath S, Raj K (junio de 2018). "Biomarcadores basados ​​en la metilación del ADN y la teoría del reloj epigenético del envejecimiento". Nature Reviews Genetics . 19 (6): 371– 384. doi : 10.1038/s41576-018-0004-3 . ISSN 1471-0064 . PMID 29643443. S2CID 4709691 .   
  27. ↑ Horvath S (10-12-2013). " Edad de metilación del ADN de tejidos y tipos celulares humanos" . Genome Biology . 14 (10) 3156. doi : 10.1186/gb-2013-14-10-r115 . ISSN 1474-760X . PMC 4015143. PMID 24138928 .   (Fe de erratas: doi : 10.1186/s13059-015-0649-6 , PMID 25968125 , Retraction Watch )   
  28. ↑ Hannum G, Guinney J, Zhao L, Zhang L, Hughes G, Sadda S, Klotzle B, Bibikova M, Fan JB, Gao Y, Deconde R (2013-01-24). "Los perfiles de metilación del genoma revelan perspectivas cuantitativas de las tasas de envejecimiento humano" . Molecular Cell . 49 (2): 359– 367. doi : 10.1016/j.molcel.2012.10.016 . ISSN 1097-2765 . PMC 3780611. PMID 23177740 .   
  29. ↑ Levine ME, Lu AT, Quach A, Chen BH, Assimes TL, Bandinelli S, Hou L, Baccarelli AA, Stewart JD, Li Y, Whitsel EA (2018-04-17). "Un biomarcador epigenético del envejecimiento para la longevidad y la salud" . Aging (Albany NY) . 10 (4): 573– 591. doi : 10.18632 / aging.101414 . ISSN 1945-4589 . PMC 5940111. PMID 29676998 .   
  30. ^ Garagnani P, Bacalini MG, Pirazzini C, Gori D, Giuliani C, Mari D, Blasio AM, Gentilini D, Vitale G, Collino S, Rezzi S (2012). "Metilación del gen ELOVL2 como nuevo marcador epigenético de la edad". Envejecimiento celular . 11 (6): 1132–1134 . doi : 10.1111/acel.12005 . hdl : 11585/128353 . ISSN 1474-9726 . PMID 23061750 . S2CID 8775590 .   

Literatura