Metilazione del DNA: Eucarioti contro i Prokaryotes

La metilazione del DNA si riferisce al trattamento di aggiunta del gruppo metilico alle regioni specifiche di DNA. Questo trattamento può determinare i cambiamenti nell'attività di DNA senza cambiare la sequenza dei nucleotidi. Sebbene la metilazione del DNA sia stata conosciuta per accadere dagli anni 50, il sui meccanismo e ruoli sono ancora in esame.

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DNMT3 è un enzima di methlytransferase del DNA trovato in eucarioti.DNMT3 è un enzima di methlytransferase del DNA trovato in eucarioti. (Credito: petarg | Shutterstock).

Metilazione del DNA in prokaryotes

In batteri, la metilazione del DNA è usata come segnale per il regolamento di un'interazione specifica della DNA-proteina. I sistemi di metilazione comprendono tipicamente un methylase del DNA ed una o più proteine obbligatorie del DNA che possono sovrapporre il sito di metilazione dell'obiettivo su DNA, successivamente bloccando la metilazione di quel sito.

La metilazione del sito dell'obiettivo inibisce l'associazione della proteina, che può provocare due stati alternativi di metilazione del sito dell'obiettivo - metilato e nonmethylated. Ciò piombo ad un reticolo di metilazione del DNA che dettami che i geni sono espressi e quindi come un microrganismo interagisce con l'ambiente.

Origini di metilazione del DNA in batteri

La metilazione di DNA fornisce un controllo reversibile epigenetico del programma genetico. Questa modifica in batteri può modulare i vari trattamenti, quali la regolazione genica ed il replicazione del dna. Nel 1953, la prima prova di metilazione del DNA è stata trovata in batteri durante l'infezione dei fagi. In questo caso, la metilazione del DNA è nato come metodo per proteggere il DNA batterico dal DNA estraneo del fago.

Il meccanismo di difesa suddetto è definito il sistema di restrizione-modifica (sistema di R-M) e consiste di due componenti: Methyltransferase del DNA ed endonucleasi di restrizione. Il methyltransferase metila una sezione specifica di DNA, mentre l'endonucleasi della restrizione fende il DNA basato sulla sequenza.

Mentre i batteri consiste sia dei sistemi di modifica che della restrizione, possono efficacemente differenziarsi fra il DNA di non auto del ` di auto del `' e' per limitare l'infezione del batteriofago o non Xeros. Questo lavoro del meccanismo in linea di principio simile alla risposta immunitaria innata.

Tipi di sistemi di restrizione-modifica in batteri

i sistemi di Restrizione-modifica in batteri hanno ruoli biologici molteplici - dalla difesa contro i vari elementi genetici che sono considerati parassitari al trasferimento esitante del gene ed a fermare l'omogeneizzazione di stirpe.

Questi sistemi possono essere divisi in quattro tipi:

Digiti i sistemi di I sono complesso e consistono degli sottounità separati dell'endonucleasi e di methyltransferase della restrizione con un sottounità comune di specificità del riconoscimento del DNA (s). Questo sistema riconosce i motivi che sono bipartiti e può fendersi alle distanze che provengono lontano dalla regione obbligatoria.

Il tipo sistema di restrizione-modifica di II ha enzimi dell'endonucleasi e di methyltransferase della restrizione. Questi mostrano la specificità obbligatoria identica verso DNA e legano alle brevi, sequenze non palindromiche del DNA. La fenditura egualmente accade fuori della regione obbligatoria del DNA in questo sistema.

Il tipo sistema di III consiste di un methyltransferase che contiene il dominio ed i complessi obbligatori di specificità del DNA con l'endonucleasi della restrizione per fendersi. Questo sistema egualmente lega ai brevi, motivi e taglio palindromici fuori della regione di associazione del DNA. Il tipo sistemi di IV fende il DNA modificato e non hanno una parte di methyltransferase.

Prevalenza di metilazione del DNA in batteri

In uno studio, i ricercatori hanno esaminato più di 200 diversi batteri ed altri prokaryotes, quale il archaea. Hanno trovato che la metilazione del DNA era presente in più di 90% degli organismi e che c'erano sedi del legame del DNA per più di 600 sistemi della restrizione, indicanti la quantità enorme di diversità.

Gli scienziati egualmente hanno osservato i numerosi casi di metilazione del DNA (anche in assenza di un sistema di restrizione); questi reticoli indicano il ruolo di questo sistema per regolamentare il genoma per altri scopi in prokaryotes.

Metilazione del DNA in eucarioti

La metilazione di DNA in eucarioti è opzione-fuori usata spesso l'attività di segnalazione dei geni. La metilazione del DNA è stata indicata per avere un ruolo importante in parecchi trattamenti eucariotici, quali lo sviluppo embrionale, il genoma imprimenti, l'inattivazione del cromosoma X e conservanti generalmente la stabilità dei cromosomi. Il trattamento è molto specifico in mammiferi, in cui il trattamento di metilazione per 75% di tutti i dinucleotidi di CpG è in somatociti.

Tenendo conto del disgaggio di impatto di metilazione del DNA, non è sorprendente che questi effetti egualmente sono collegati a parecchie malattie, compreso quelli trovati in esseri umani. In mammiferi, il reticolo globale di metilazione lo fa che sfida per determinare se la metilazione è uno stato di standard o realmente mirato a verso le sequenze specifiche dei geni. Tuttavia, le isole di CpG si presentano solitamente vicino ai siti di inizio della trascrizione, suggerenti che ci sia un sistema per il riconoscimento.

Scoperta di metilazione del DNA in eucarioti

Per capire i ruoli esatti di metilazione del DNA, gli scienziati J.D. McGhee e G.D. Ginder hanno esaminato lo stato di metilazione delle celle che hanno espresso e non hanno espresso il gene della beta-globina. Hanno trovato che in celle che il luogo della beta-globina unmethylated nelle celle che hanno espresso la beta-globina, mentre le celle metilate non hanno espresso la beta-globina. Questi risultati hanno indicato che la metilazione potrebbe partecipare all'espressione dei geni.

Successivamente, l'effetto di metilazione è stato studiato facendo uso dei metodi più diretti, come usando gli analoghi chimici. il azacytidine 5 è un analogo chimico per la citidina del nucleoside. Una volta incorporato nel filo del DNA, può inibire l'atto degli enzimi di methyltransferase del DNA. Quindi, questo può essere usato per arguire l'importanza dei methyltransferases del DNA nel profilo di espressione genica. Facendo uso di questo metodo, i ricercatori hanno trovato che la metilazione del DNA potrebbe pregiudicare il trattamento di differenziazione delle cellule.

Meccanismo di metilazione del DNA in eucarioti

La metilazione del DNA si presenta solitamente alle basi della citosina sul genoma eucariotico, che piombo alla formazione di methylcytosine 5. Mentre i residui alterati stanno trovando spesso adiacente ai nucleotidi della guanina, questo provoca i residui metilati della citosina che si trovano l'un l'altro diagonalmente.

Ci sono i due modi di metilazione del DNA in celle eucariotiche. Il primo metodo è chiamato metilazione di de novo, che comprende riorganizzare il reticolo di metilazione durante la formazione di embrione o di differenziazione in celle adulte. Due classi di methyltransferases, di DNMT3a e di DNMT3b sono state indicate per partecipare alla metilazione di de novo.

Per contro, la metilazione di manutenzione rientra nella seconda categoria. Questa classe di methyltransferases del DNA mantiene il reticolo di metilazione una volta che è stabilito. DNM1 era il primo methyltransferase del mouse che è stato descritto da Bestor e dai colleghi. Questo enzima è stato trovato per avere attività che consuma molto di metilazione ed è estremamente importante per lo sviluppo del mouse.

Ci sono egualmente due meccanismi per eliminare il reticolo attuale di metilazione. Il primo metodo comprende il demethylation passivo dove DNM1 non mantiene il reticolo di metilazione. Nel secondo metodo, determinati demethylases attivamente eseguono il demethylation per eliminare i reticoli.

Prevedere il reticolo di metilazione

La metilazione può essere osservata direttamente macchiando le celle per il methylcytosine immunofluorescently contrassegnato 5. I mammiferi hanno spesso una distribuzione globale di CpG o del nucleoside della citosina seguito dal nucleotide della guanina in una sequenza lineare. Tuttavia, gli invertebrati harbor un reticolo di mosaico di metilazione dove ci sono regioni di metilazione pesante seguite dalle regioni non metilate. Gli impianti egualmente altamente sono metilati, con fino a 50% dei residui della citosina in impianti che sono metilati. Soltanto le sequenze ripetitive sono metilate in funghi ed alcune specie completamente mancano della metilazione.

Ruolo di metilazione del DNA nella malattia umana

Poichè la metilazione ha ruoli critici durante l'espressione genica e durante la differenziazione delle cellule, tutti gli errori in questo trattamento possono piombo ad uno stato di malattia. Alcune delle malattie che sono conosciute per essere associate con i difetti nella stampa del gene comprendono il cancro, il lupus, la distrofia muscolare, parecchi difetti di nascita, la metilazione del DNA ecc. anche sono state implicate in molte malattie cardiovascolari, compreso aterosclerosi.

La comprensione del trattamento dei cambiamenti epigenetici può essere inestimabile per la comprensione ed impedire delle queste complicazioni. Una grande quantità di ricerca corrente realizzata per capire il collegamento fra metilazione del DNA e le malattie è messa a fuoco sui geni soppressori del tumore e del cancro.

I geni soppressori del tumore sono i geni che sono fatti tacere solitamente nelle celle con cancro dovuto il hypermethylation; d'altra parte, i genoma delle cellule tumorali hanno geni hypomethylated camice confrontati alle celle normali.

Geni in questione nel regolamento del ciclo cellulare, nell'invasione delle cellule del tumore, nella riparazione del DNA e nell'altro modulo di eventi un'eccezione come hypermethylated in cellule tumorali. In questi casi, fare tacere dovuto il hypermethylation propaga la metastasi. Per esempio, il hypermethylation è visibile durante le fasi iniziali di tumore del colon e perfino ha il potenziale di servire da biomarcatore della malattia.

Eucarioti contro i Prokaryotes

In eucarioti, la metilazione del DNA si presenta soltanto sui residui della citosina e specificamente per le sequenze di CpG. Considerando che in prokaryotes, la metilazione dei residui dell'adenina è il segnale epigenetico primario. Gli eucarioti usano soltanto alcuni methyltransferases del DNA; i numeri sono molto più alti in batteri in cui la maggior parte di loro hanno alta specificità di sequenza. Per esempio, i pilori gastrici umani importanti di Helicobacter dell'agente patogeno ha un grande repertorio dei geni di methyltransferase del DNA, con contenere differente di sforzi differente e le sequenze piuttosto uniche.

Tuttavia, la funzione protettiva di metilazione del DNA è simile attraverso i prokaryotes e gli eucarioti. Per esempio, le sequenze virali inserite in esseri umani ed in roditori possono essere metilate per fare tacere i geni presentati. Gli stessi meccanismi per fare tacere i transgenes sono stati trovati in mouse pure. Di conseguenza, il riconoscimento e le funzioni di eliminazione del macchinario di metilazione del DNA sembrano essere conservati nell'evoluzione.

Poichè il genoma eucariotico è molto più complesso confrontato al genoma prokaryotic, parecchi studi hanno proposto il ruolo di citosina metilata poichè “una quinta base„ nel genoma eucariotico. Ancora, molti esperimenti indicano che la metilazione di citosina è compresa nella riorganizzazione funzionale del genoma eucariotico.

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Last Updated: Jun 28, 2019

Dr. Surat P

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Dr. Surat P

Dr. Surat graduated with a Ph.D. in Cell Biology and Mechanobiology from the Tata Institute of Fundamental Research (Mumbai, India) in 2016. Prior to her Ph.D., Surat studied for a Bachelor of Science (B.Sc.) degree in Zoology, during which she was the recipient of an Indian Academy of Sciences Summer Fellowship to study the proteins involved in AIDs. She produces feature articles on a wide range of topics, such as medical ethics, data manipulation, pseudoscience and superstition, education, and human evolution. She is passionate about science communication and writes articles covering all areas of the life sciences.  

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