La 5-metilcitosina es una forma metilada de la base del ADN citosina (C) que regula la transcripción genética y desempeña otras funciones biológicas. [1] Cuando la citosina se metila, el ADN mantiene la misma secuencia, pero la expresión de los genes metilados puede verse alterada (el estudio de esto forma parte del campo de la epigenética ). La 5-metilcitosina está incorporada en el nucleósido 5-metilcitidina .
En la 5-metilcitosina, un grupo metilo está unido al quinto átomo del anillo de 6 átomos, contando en sentido antihorario desde el nitrógeno unido al NH en la posición de las seis en punto. Este grupo metilo distingue la 5-metilcitosina de la citosina.
Mientras intentaba aislar la toxina bacteriana responsable de la tuberculosis , WG Ruppel aisló un nuevo ácido nucleico llamado ácido tuberculínico en 1898 del bacilo de la tuberculosis . [2] Se descubrió que el ácido nucleico era inusual porque contenía, además de timina , guanina y citosina , un nucleótido metilado. En 1925, Johnson y Coghill detectaron con éxito una cantidad menor 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 se demostró finalmente en 1948, cuando Hotchkiss separó los ácidos nucleicos del ADN del timo de ternera mediante cromatografía en papel , mediante la cual detectó una citosina metilada única, bastante distinta de la citosina y el uracilo convencionales . [6] Después de siete décadas, resultó que también es una característica común en diferentes moléculas de ARN , aunque el papel preciso es incierto. [7]
La función de esta sustancia química varía significativamente entre especies: [8]
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 la citosina o 5-metilcitosina por la familia APOBEC de citosina desaminasas podría tener implicaciones beneficiosas en diversos procesos celulares, así como en la evolución del organismo. [12] Las implicaciones de la desaminación de la 5-hidroximetilcitosina , por otro lado, siguen siendo menos comprendidas.
El grupo NH2 se puede eliminar (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. [ cita necesaria ]
La 5-metilcitosina es resistente a la desaminación mediante tratamiento con bisulfito , que desamina los residuos de citosina. Esta propiedad a menudo se explota para analizar patrones de metilación de citosina del ADN con secuenciación con bisulfito . [13]
Se colocan marcas de 5 mC en el ADN genómico mediante ADN metiltransferasas (DNMT). En humanos existen 5 DNMT: DNMT1, DNMT2, DNMT3A, DNMT3B y DNMT3L, y en algas y hongos están presentes 3 más (DNMT4, DNMT5 y DNMT6). [14] DNMT1 contiene la secuencia dirigida a focos de replicación (RFTS) y el dominio CXXC que catalizan la adición de marcas de 5 mC. RFTS dirige DNMT1 a loci de replicación del ADN para ayudar en el mantenimiento de 5 mC en las cadenas 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 ADN metiltransferasa predominante en todo el tejido humano. [16] Principalmente, DNMT3A y DNMT3B son responsables de la metilación de novo , y DNMT1 mantiene la marca de 5 mC después de la replicación. [1] Los DNMT pueden interactuar entre sí para aumentar la capacidad de metilación. Por ejemplo, 2 DNMT3L puede 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 alteración de la enzima disminuye 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 nucleofílico en el carbono 6 del nucleótido de citosina que se va a metilar. Luego, la S-adenosilmetionina 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 los carbonos 5 y 6 en el anillo, produciendo el par de bases 5-metilcitosina. [15]
Después de que una citosina se metila a 5 mC, se puede revertir a su estado inicial mediante 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 finalmente son escindidas por la timina ADN glicosilasa (TDG), seguida de mediante reparación por escisión de bases (BER) para restaurar la citosina. [1] La eliminación de TDG produjo un aumento del doble de 5 fC sin ningún cambio estadísticamente significativo a niveles de 5 hmC, lo que indica que 5 mC debe oxidarse de forma iterativa al menos dos veces antes de su desmetilación completa. [18] La oxidación se produce 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 5 mC y la velocidad de reacción inicial para las conversiones de 5 hmC y 5 fC con TET2 es de 4,9 a 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 del isocitrato mediante 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 5 mC a 5 hmC. [21]
En el cáncer, el ADN puede volverse excesivamente metilado, lo que se denomina hipermetilación , o submetilado, lo que se denomina hipometilación. [22] Los promotores de genes superpuestos de las islas CpG se metilan de novo , lo que da como resultado una inactivación aberrante de genes normalmente asociados con la inhibición del crecimiento de los tumores (un ejemplo de hipermetilación). [23] Al comparar el tejido tumoral y normal, el primero tenía niveles elevados de metiltransferasas DNMT1, DNMT3A y principalmente DNMT3B, todas las cuales están asociadas con niveles anormales de 5 mC 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 da como resultado la expresión de estos genes normalmente silenciados, y los niveles a menudo son marcadores importantes de la progresión del tumor. [22] Se ha planteado la hipótesis de que existe una conexión entre la hipermetilación y la hipometilación; La actividad excesiva de las ADN metiltransferasas que producen la metilación anormal de novo de 5 mC puede compensarse mediante la eliminación de la metilación, un tipo de reparación epigenética. Sin embargo, la eliminación de la metilación es ineficiente, lo que da como resultado un exceso de hipometilación en todo el genoma. También puede ser posible lo contrario; La sobreexpresión de hipometilación puede ser silenciada por la hipermetilación de todo el genoma. [22] Las capacidades distintivas del cáncer probablemente se adquieren a través de cambios epigenéticos que alteran los 5 mC 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 anticancerígeno cisplatino reacciona con 5 mC. [25]
La "edad epigenética" se refiere a la conexión entre la edad cronológica y los niveles de metilación del ADN en el genoma. [26] Acoplar los niveles de metilación del ADN, en conjuntos específicos de CpG llamados "CpG de reloj", con algoritmos que hacen una regresión de 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 a 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 múltiples tejidos 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 otros estimadores de edad en la predicción de 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 los individuos pueden estar sujetos en función de sus marcadores de metilación de 5 mC. [ cita necesaria ]