เอนไซม์ DNA เมทิลทรานสเฟอเรสและ TET

เอนไซม์ DNA เมทิลทรานสเฟอเรส (DNMTs) ทำหน้าที่เติมหมู่เมทิลลงบนไซโตซีน ในขณะที่เอนไซม์ TET (ten-eleven translocation) เริ่มต้นการกำจัดหมู่เมทิลโดยการออกซิไดซ์ 5-เมทิลไซโตซีน เอนไซม์ทั้งสองกลุ่มนี้ทำงานร่วมกันเป็นกลไกการเขียนและลบของการเมทิลเลชันของ DNA: เอนไซม์ DNMT3 สร้างรูปแบบใหม่ (de novo) เอนไซม์ DNMT1 รักษาการเมทิลเลชันผ่านการจำลองแบบ และเอนไซม์ TET เป็นเส้นทางที่กระตือรือร้นในการกำจัดเมทิลเลชัน

Definition

DNA เมทิลทรานสเฟอเรสเป็นเอนไซม์ที่ถ่ายโอนหมู่เมทิลไปยังไซโตซีนเพื่อสร้างหรือรักษาการเมทิลเลชันของ DNA ในขณะที่เอนไซม์ TET เป็นไดออกซิเจเนสที่ออกซิไดซ์ 5-เมทิลไซโตซีนไปเป็น 5-ไฮดรอกซีเมทิลไซโตซีนและผลิตภัณฑ์อื่น ๆ ซึ่งเป็นการเริ่มต้นการกำจัดเมทิลเลชันของ DNA แบบกระตือรือร้น

Scope

เนื้อหานี้ครอบคลุมถึงตระกูล DNMT (บทบาท de novo เทียบกับบทบาทการบำรุงรักษา) และตระกูล TET (การออกซิเดชันของ 5-เมทิลไซโตซีนไปสู่การกำจัดเมทิลเลชัน) และวิธีการที่กิจกรรมที่ตรงข้ามกันของเอนไซม์เหล่านี้กำหนดและตั้งค่ารูปแบบการเมทิลเลชันของ DNA ใหม่ เนื้อหานี้มีวัตถุประสงค์เพื่อการอ้างอิงและให้ความรู้ และไม่ได้ให้ข้อมูลการให้ยาเพื่อการรักษาหรือคำแนะนำเฉพาะบุคคล

Core questions

• เมทิลทรานสเฟอเรสแบบ de novo และแบบบำรุงรักษาแตกต่างกันอย่างไรในหน้าที่?
• รูปแบบการเมทิลเลชันถูกคัดลอกอย่างไรหลังจากการจำลองแบบของ DNA?
• เอนไซม์ TET เริ่มต้นการกำจัดเมทิลเลชันของไซโตซีนได้อย่างไร?
• 5-ไฮดรอกซีเมทิลไซโตซีนคืออะไร และทำไมจึงมีความสำคัญ?

Key concepts

• DNMT1 (เมทิลทรานสเฟอเรสเพื่อการบำรุงรักษา)
• DNMT3A และ DNMT3B (เมทิลทรานสเฟอเรสแบบ de novo)
• การจดจำ DNA ที่ถูกเมทิลเลชันครึ่งหนึ่ง (Hemimethylated DNA recognition)
• TET1/TET2/TET3 ไดออกซิเจเนส
• 5-ไฮดรอกซีเมทิลไซโตซีน
• การกำจัดเมทิลเลชันแบบกระตือรือร้นเทียบกับแบบพาสซีฟ

Mechanisms

DNMT3A และ DNMT3B สร้างรูปแบบการเมทิลเลชันใหม่ (de novo) ในระหว่างการพัฒนา โดยถ่ายโอนหมู่เมทิลจาก S-อะดีโนซิลเมทิโอนีนไปยังไซโตซีนที่ยังไม่ถูกเมทิลเลชันมาก่อน การขาดเอนไซม์เหล่านี้ไม่สามารถเข้ากันได้กับการพัฒนาปกติของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม DNMT1 ทำหน้าที่เป็นเอนไซม์บำรุงรักษา โดยจะจดจำตำแหน่ง CpG ที่ถูกเมทิลเลชันครึ่งหนึ่ง (hemimethylated) ที่เกิดขึ้นจากการจำลองแบบ และฟื้นฟูการเมทิลเลชันแบบสมมาตร ซึ่งเป็นการคัดลอกรูปแบบไปยังเซลล์ลูก เอนไซม์ TET (TET1, TET2, TET3) ออกซิไดซ์ 5-เมทิลไซโตซีนไปเป็น 5-ไฮดรอกซีเมทิลไซโตซีนและต่อไปยังเบสที่ถูกออกซิไดซ์เพิ่มเติม ซึ่งสามารถถูกกำจัดและแทนที่ด้วยไซโตซีนที่ไม่ถูกดัดแปลงผ่านการซ่อมแซมแบบเบสเอ็กซิชัน (base-excision repair) ซึ่งเป็นเส้นทางการกำจัดเมทิลเลชันแบบกระตือรือร้น ในขณะที่ความล้มเหลวในการรักษาการเมทิลเลชันในระหว่างการจำลองแบบทำให้เกิดการกำจัดเมทิลเลชันแบบพาสซีฟ กิจกรรมที่ตรงข้ามกันของเอนไซม์ผู้เขียนและผู้ลบนี้ทำให้การเมทิลเลชันของ DNA เป็นเครื่องหมายที่มีพลวัตและสามารถตั้งค่าใหม่ได้

Clinical relevance

ยีน DNMT และ TET มีการเปลี่ยนแปลงซ้ำ ๆ ในมะเร็งเม็ดเลือดและมะเร็งอื่น ๆ และกำลังถูกศึกษาในฐานะเป้าหมายยาในการวิจัย และกิจกรรมของยีนเหล่านี้มีส่วนในการกำหนดเมทิโลมที่ถูกตีความในการศึกษาเอพิเจโนมิกส์ เนื้อหานี้อธิบายบทบาทระดับโมเลกุลของยีนเหล่านี้ในฐานะข้อมูลอ้างอิง และไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

Evidence & guidelines

การแบ่งงานของ DNMT ระหว่าง de novo และการบำรุงรักษาได้รับการจัดตั้งโดย Okano และคณะ และหน้าที่การกำจัดเมทิลเลชันของเอนไซม์ TET ได้รับการเปิดเผยโดย Tahiliani และคณะที่ระบุการผลิต 5-ไฮดรอกซีเมทิลไซโตซีน และได้รับการยืนยันโดย Ito และคณะ บทวิจารณ์โดย Bird และโดย Smith และ Meissner ได้รวมเอนไซม์เหล่านี้เข้ากับวงจรการเมทิลเลชันที่กว้างขึ้น รายละเอียดกลไกของการกำจัดเมทิลเลชันที่ขับเคลื่อนโดย TET ในบริบทเฉพาะยังคงได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง

History

แนวคิดของเมทิลทรานสเฟอเรสเพื่อการบำรุงรักษามีมาก่อนการระบุเอนไซม์ในระดับโมเลกุล การโคลน DNMT1 และต่อมาเอนไซม์ DNMT3 de novo ในทศวรรษ 1990 ได้กำหนดกลไกการเขียน ปัญหาที่ค้างคามานานเกี่ยวกับวิธีการลบเมทิลเลชันอย่างกระตือรือร้นได้รับการแก้ไขตั้งแต่ปี 2009 เมื่อ TET1 แสดงให้เห็นว่าสามารถออกซิไดซ์ 5-เมทิลไซโตซีนไปเป็น 5-ไฮดรอกซีเมทิลไซโตซีน ซึ่งเผยให้เห็นเส้นทางการกำจัดเมทิลเลชันด้วยเอนไซม์และเบสที่ถูกดัดแปลงใหม่ในจีโนม

Key figures

• En Li
• Masaki Okano
• Anjana Rao
• Mamta Tahiliani
• Yi Zhang

Seminal works

• okano-1999
• tahiliani-2009
• ito-2010

Frequently asked questions

อะไรคือความแตกต่างระหว่างเมทิลทรานสเฟอเรสแบบ de novo และแบบบำรุงรักษา?

เอนไซม์ de novo (DNMT3A และ DNMT3B) จะเพิ่มเมทิลเลชันไปยังไซโตซีนที่ยังไม่ถูกเมทิลเลชันมาก่อนเพื่อสร้างรูปแบบใหม่ ในขณะที่เอนไซม์บำรุงรักษา (DNMT1) จะคัดลอกเมทิลเลชันที่มีอยู่ไปยังสายใหม่หลังจากการจำลองแบบของ DNA

เอนไซม์ TET กำจัดเมทิลเลชันของ DNA ได้อย่างไร?

เอนไซม์ TET จะออกซิไดซ์ 5-เมทิลไซโตซีนไปเป็น 5-ไฮดรอกซีเมทิลไซโตซีนและรูปแบบที่ถูกออกซิไดซ์เพิ่มเติม ซึ่งสามารถซ่อมแซมกลับไปเป็นไซโตซีนที่ไม่ถูกดัดแปลงได้ ซึ่งเป็นเส้นทางการกำจัดเมทิลเลชันแบบกระตือรือร้น หรือการเมทิลเลชันอาจสูญหายไปแบบพาสซีฟหากไม่ได้รับการบำรุงรักษาในระหว่างการจำลองแบบ