Метилтрансферазы растений

В обзоре обобщены современные данные о цшпозин-С5-ДНК метилтрансферазах растений. Охарактеризованы три различных класса этих ферментов – Dnmtl/METl, Dnmt3 и СМТ. Обсуждается их предполагаемая функция, связанная с поддерживающим метилированием и метилированием de novo остатков цитозина в симметричных...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Біополімери і клітина
Дата:	2005
Автори:	Тищенко, Е.Н., Дубровная, О.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Російська
Опубліковано:	Інститут молекулярної біології і генетики НАН України 2005
Теми:	Огляди
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/155877
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Метилтрансферазы растений / Е.Н. Тищенко, О.В. Дубровная // Біополімери і клітина. — 2005. — Т. 21, № 6. — С. 463-472. — Бібліогр.: 40 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859823752075804672
author	Тищенко, Е.Н. Дубровная, О.В.
author_facet	Тищенко, Е.Н. Дубровная, О.В.
citation_txt	Метилтрансферазы растений / Е.Н. Тищенко, О.В. Дубровная // Біополімери і клітина. — 2005. — Т. 21, № 6. — С. 463-472. — Бібліогр.: 40 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Біополімери і клітина
description	В обзоре обобщены современные данные о цшпозин-С5-ДНК метилтрансферазах растений. Охарактеризованы три различных класса этих ферментов – Dnmtl/METl, Dnmt3 и СМТ. Обсуждается их предполагаемая функция, связанная с поддерживающим метилированием и метилированием de novo остатков цитозина в симметричных и асимметричных мотивах ДНК. В огляді узагальнено сучасні дані стосовно цитозин-С5-ДНК метилтрансфераз рослин. Наведено характеристику трьох різних класів цих ферментів — Dnmtl/METl, Dnmt3 і СМТ. Обговорюється їхня передбачувана функція, пов'язана з під тримуючим та de novo метилуванням залишків цитозину в симетричних і асиметричних мотивах ДНК. In the review the current data on the plant cytosine-C5-DNA-methyltransferases (methyltransferase) are summarized. Three different classes of these enzymes – Dnmt1/MET1, Dnmt3 and CMT are discribed. The proposed function, dealing with maintenance and de novo methylation of cytosine residues in symmetric and asymmetric motifs of DNA, is under discussion.
first_indexed	2025-12-07T15:27:25Z
format	Article
fulltext	ISSN 0233-7657. Біополімери і клітина. 2005. Т. 21. № 6 ОГЛЯДИ Метилтрансферазы растений Е. Н. Тищенко, О. В. Дубровная Институт физиологии растений и генетики НАН Украины Ул. Васильковская, 31/17, Киев, 03022, Украина Е. mail: plant@ifrg.freenet.Wev.ua В обзоре обобщены современные данные о цшпозин-С5-ДНК метилтрансферазах растений. Охарактеризованы три различных класса этих ферментов — Dnmtl/METl, Dnmt3 и СМТ. Обсуждается их предполагаемая функция, связанная с поддерживающим метилированием и метилированием de novo остатков цитозина в симметричных и асимметричных мотивах ДНК Ключевые слова: метилирование, цитозин, метилтрансферазы Введение. Метилированию Д Н К отводится важная роль в функциональной геномике эукариотов. Фер ментативная модификация цитозина рассматрива ется в качестве одной из основных детерминант эпигенетической регуляции экспрессии генов и трансгенов растений. Ее предполагаемая функция также состоит в инактивации повторяющихся по следовательностей, защищая таким образом геном от распространения мобильных генетических эле ментов и чужеродной генетической информации. Немаловажное значение уделяется метилированию Д Н К в явлениях импринтинга, парамутаций, поли- плоидизации, в механизмах дифференцировки кле ток в процессе развития растений и их генетиче ской нестабильности. Отличительной чертой ядерной Д Н К растений является высокий уровень ее метилирования: она может содержать до 40—50 % модифицированных остатков цитозина в симметричных (CpG, CpNpG, где N — любое основание, отличное от гуанина) и асимметричных (CpNpN) мотивах, тогда как у животных — не более 8 % [ 1 , 2 ] . Принципиальное значение имеет расшифровка механизмов de novo и поддерживающего метилирования Д Н К эукарио тов — двух основных процессов метилирования, © Б. H. ТИЩЕНКО, О. В. ДУБРОВНАЯ, 2005 ключевое положение в которых занимают фермен ты ЦИТОЗИН-С5-ДНК метилтрансферазы (метил трансферазы). При поддерживающем метилирова нии его паттерны в CpG и CpNpG мотивах переда ются в обе дочерние нити метилтрансферазами, которые в репликативной вилке преимущественно метилируют полуметилированную ДНК, тогда как при de novo метилировании ферментативной моди фикации подвергаются ранее неметилированные остатки цитозина. Д л я симметричных последова тельностей достаточно, чтобы метилирование de novo произошло один раз , после чего ферментатив ная модификация может осуществляться за счет активности поддерживающих метилтрансфераз . Однако для поддержания метилирования в асим метричных сайтах метилирование de novo должно иметь место при каждом цикле клеточного деления [1] . Механизмы метилирования Д Н К далеки еще от полного понимания. До недавнего времени, пока были клонированы только гены Dnmtl животных, оставался открытым вопрос, кодируются ли метил трансферазы семействами генов, выполняющих разные функции, связанные с модификациями CpG, CpNpG и CpNpN последовательностей. Кро ме того, вообще было неизвестно, какие ферменты способны осуществлять de novo модификацию ци тозина в асимметричных последовательностях. В 463 mailto:plant@ifrg.freenet.Wev.ua ТИЩЕНКО Е. H., ДУБРОВНАЯ О. В. последнее время, после идентификации вначале в геномах растений, а затем и животных множест венных генов метилтрансфераз, в этой области исследований достигнут значительный прогресс. Общая характеристика метилтрансфераз . На текущий момент, основываясь на гомологии амино кислотных и / и л и полинуклеотидных последова тельностей, а также на предполагаемой функции, метилтрансферазы растений и животных сгруппи рованы, по крайне мере, в четыре различных класса: D n m t l / M E T l , Dnmt2, Dnmt3 и СМТ [3— 7 ] . Последний характерен только для растений. Считается, что Dnmt2-iuiacc представлен пока что метилтрансферазами животных, однако в литера туре имеются сведения о том, что у арабидопсиса идентифицирована полинуклеотидная последова тельность, способная кодировать полипептид, гомо логичный белку Dnmt2 животных [4] . Возможно, что этот класс имеется и у растений. Данные о полифункциональных метилтрансфе разах растений обобщены в таблице. Есть основа ния считать, что поддерживающее метилирование в симметричных CpG и CpNpG последовательно стях растений осуществляют главным образом ме тилтрансферазы класса D n m t l / M E T l и СМТ соот ветственно, в то время как за de novo фермента тивную модификацию цитозина симметричных и асимметричных мотивов ответственны ферменты класса Dnmt3 [4—7]. Метилтрансферазы про- и эукариотов катали зируют реакцию переноса метальных групп с S- аденозил-Ь-метионина (SAM) в С5 положение пи- римидинового кольца цитозинового остатка с обра зованием промежуточного ковалентного комплекса ДНК—белок. Конечным продуктом этой реакции являются 5-метилцитозин и S-аденозилгомоцисте- ин. Во всех изученных ЦИТОЗИН-С5-ДНК метил трансферазах в С-концевой области представлены консервативные мотивы аминокислотных последо вательностей, которые собственно и выполняют каталитическую функцию фермента. Они располо жены во многих метилтрансферазах одним и тем же упорядоченным образом и разделены, как пра вило, неконсервативными аминокислотными после довательностями вариабельной длины. Большинст во метилтрансфераз эукариотов включает консер вативные мотивы VIII и X прокариотов, причем мотивы VII и VIII не являются высококонсерватив ными и поэтому их трудно различать во многих ферментах [1 , 3—18]. Наиболее изученными являются метилтранс феразы прокариотов, для которых показано, что консервативные мотивы I и X образуют сайт связы вания донора метильных группа, остаток цистеина дуплета пролин-цистеин мотива IV формирует ак тивный центр, ответственный за перенос металь ной группы. При этом вариабельная аминокислот ная последовательность TRD (target-recognizing domain) между мотивами VIII и IX направляет фермент к последовательности узнавания, фланки рующей цитозин, который подвергается метилиро ванию [1 , 3 ] . У ряда изученных метилтрансфераз эукарио тов участок с консервативными мотивами слит с большой регуляторной N-аминотерминальной об ластью, отсутствующей у прокариотов [1 , 3, 4, 18]. Такая область впервые идентифицирована в метил- трансферазе Dnmt l мыши. Обнаружена она и в первом клонированном гене метилтрансфераз рас тений — МЕТІ арабидопсиса, а впоследствии — и в других генах классов Dnmtl/METl, СМТ [1 , 6, 19] . N-аминотерминальная область выполняет функции, включающие, в частности, направление метилтрансферазы в репликативную вилку во вре мя S фазы клеточного цикла [4, 2 1 , 22 ] . Сведения о том, каким образом происходит пострепликативное метилирование Д Н К , ограниче ны и касаются в основном животных. Для точного воспроизведения паттернов метилирования в кле точном цикле предполагается, что оно должно быть сопряжено с репликацией Д Н К . Для этого есть следующие основания: экспрессия гена DNMT1 регулируется в клеточном цикле; эта метилтранс- фераза локализована в репликативной вилке; ме тилирование осуществляется согласованно с репли кацией ДНК; ингибирование DNMT1 может при водить к подавлению инициации репликации Д Н К [21, 23 ] . Однако молекулярные детерминанты это го взаимодействия еще не определены. Тем не менее, установлено, что DNMT1 является компо нентом мультибелкового комплекса репликации Д Н К , названного ДНК-синтесомой, который в бес клеточной системе полностью поддерживает полу консервативную репликацию Д Н К . Связанный с синтесомой фермент демонстрирует как поддержи вающую, так и с низким уровнем de novo метилт- рансферазную активность. Полученные данные указывают на то, что метилирование Д Н К прочно сопряжено с репликацией через физическое взаи модействие DNMT1 и кор-компонентов реплика- 464 МЕТИЛТРАНСФЕРАЗЫ РАСТЕНИЙ П р и м е ч а н и е . CpG, CpNpG — симметричные, CpNpN — асимметричные мотивы. тивного комплекса [24] . Поскольку DNMT1 при сутствует в репликативной вилке, возникает воп рос о том, происходит ли метилирование в Д Н К перед ее упаковкой в нуклеосомы, которые образу ются очень быстро вслед за репликативной вилкой? Для 5S рДНК обнаружено, что DNMT1 способна метилировать ряд CpG сайтов, даже когда большая бороздка ориентирована по направлению к поверх ности гистонов. Вместе с тем способность этого фермента модифицировать нуклеосомные сайты весьма зависима от природы субстрата [25] . М е т и л т р а н с ф е р а з ы р а с т е н и й к л а с с а D n m t l / M E T l . Arabidopsis thaliana — первый вид растений, в котором, используя гомологию между консервативными мотивами IX и X прокариотных и мышиных метилтрансфераз, методами полиме- разной цепной реакции (ПЦР) и скрининга библи отеки кДНК идентифицированы к Д Н К , относящи еся к семейству генов метилтрансфераз МЕТІ (DDM2). Кроме того, именно для этого вида пока зано, что метилтрансферазы эукариотов могут ко дироваться определенным семейством генов [1, 7 ] . Первыми были выделены гены МЕТІ и МЕТИ и показано, что они, как и Dnmtl животных, содержат N-аминотерминальную регуляторную об ласть. Гомология между их белками оказалась более высокой в С-метилтрансферазной области, чем в N-аминотерминальной, притом что степень дивергенции между этими белками была больше по сравнению с таковой между Dnmt l мыши и чело века. МЕТІ и Dnmt l имеют 50 % гомологичных аминокислотных последовательностей в каталити ческой области фермента, тогда как в регулятор- ной — 24 %. На данный момент семейство генов МЕТІ включает пять представителей, четыре из которых частично охарактеризованы [4 ]. Два гена, 465 ТИЩЕНКО Е. Н., ДУБРОВНАЯ О. В. МЕТІІа и МЕТІІІ, тесно сцеплены, тогда как два других — МЕТІ и МЕТПЪ — находятся в различ ных локусах. Предполагается, что эти гены про изошли от общего предка через серию его дуплика ций. Несвязанные гены МЕТІІа и МЕТИЪ наибо лее подобны друг другу и, по-видимому, являются продуктами недавних дупликаций. В N-аминотерминальной регуляторной области МЕТІ последовательно, через определенные интер валы располагаются предполагаемый сигнал ядер ной локализации, а также домен, ответственный, вероятно, за направление этого фермента в репли- кативную вилку, так называемая «кислая» область. Как и у животных, N-терминальная область МЕТІ арабидопсиса отделена от С-метилтрансферазной области чередующимися остатками аминокислот лизин—глицин [4, 7 ]. «Кислая» область состоит, по крайней мере, из 50 % остатков глутаминовой и аспарагиновой кислот и в пределах N-терминаль- ной области ферментов класса МЕТІ расположена в одном и том же положении. Роль этих областей неизвестна. Среди ферментов растений наименее консервативной является T R D область [4] . Выявлена гомология аминокислотной последо вательности (остатки 207—455), направляющей метилтрансферазу Dnmt l мыши в репликативную вилку, с последовательностью (120—280) белка МЕТІ арабидопсиса. Это позволило предположить аналогичную функцию и для растительных метил трансфераз [1 ]. Следует отметить, что первоначальные иссле дования метилтрансфераз растений и животных на биохимическом уровне показали некоторые отли чия между ними. Первым свойственна относитель но высокая скорость как поддерживающего, так и de novo метилирования, в то время как вторым — преимущественно поддерживающее метилирова ние. По этой характеристике метилтрансферазы растений более сходны с аналогичными фермента ми прокариотов. В N-аминотерминальной регуля торной области Dnmt l идентифицированы последо вательности, подавляющие метилазную активность de novo. Этим, видимо, и объясняется предпочти тельное метилирование полуметилированных моти вов Д Н К животных [21 ]. Особенностью метилтрансфераз D n m t l / M E T l арабидопсиса является отсутствие в их белках обо гащенного цистеином цинк-связывающего домена, что характерно для N-терминальной области бел ков животных [21 ]. Возможно, этим и определяет ся de novo метилазная активность вышеупомянуто го фермента растений [7 ]. В отличие от животных, у растительных метилтрансфераз отсутствуют де- леции из 40—41 аминокислотных остатков в обла сти узнавания, а также для них характерно нали чие «кислой» области [4 ] . Фермент МЕТІ выполняет главным образом поддерживающее метилирование Д Н К арабидопси са. Об этом свидетельствуют исследования, с одной стороны, трансгенных растений арабидопсиса с ин- тродуцированной к Д Н К МЕТІ в антисмысловой ориентации под контролем промотора 35S вируса мозаики цветной капусты, а с другой, — мутантов этого гена — metl. Экспрессия «антисмыслового» трансгена приводит к снижению уровня метилиро вания Д Н К в пределах 34—71 % в большинстве CpG мотивов, а также (хотя и с меньшим эффек том) в тринуклеотидах CpNpG [26, 27 ] . Потеря метильных групп в 5 т е С происходит как в повто ряющихся, так и уникальных последовательностях ДНК. Охарактеризованы две миссенс-мутации гена метилтрансферазы МЕТІ арабидопсиса, мутантные аллели которого названы metl-1 и metl-2 [28]. Точечные мутации в обоих аллелях, обусловлен ные заменой пары CG на AT в экзонах генов, затрагивают С-терминальную каталитическую об ласть фермента , в результате чего глобально уменьшается уровень метилирования Д Н К . Аллель metl-1 является миссенс-мутацией, в которой оста ток серина замещен на пролин. Мутация metl-1 не изменяет консервативных мотивов белка метил трансферазы М Е Т І . В то же время мутация metl-2 обнаружена в консервативном мотиве I, причаст ном к связыванию донора метильных групп, и приводит к замене инвариантного глицинового ос татка, существенного для каталитической активно сти фермента, на серии. Удивительно, но, судя по уровню метилирования Д Н К , аллель metl-2 явля ется более слабым по сравнению с metl-1. Следует отметить, что оба этих аллеля одинаково влияют на ферментативную модификацию цитозина в Д Н К рибосомных генов, а различия в уровне мети лирования генома арабидопсиса обусловлены, глав ным образом, повторяющимися последовательно стями центромер. За счет чего проявляется различ ный эффект, непонятно, но, тем не менее, такие данные указывают на участие метилтрансферазы МЕТІ в выборе мишени для метилирования. Первоначально считали, что МЕТІ осуществ ляет преимущественное метилирование симметрич- 466 МЕТИЛТРАНСФЕРАЗЫ РАСТЕНИЙ ного динуклеотида CpG [1] . В последнее время методом секвенирования с использованием бисуль фита натрия показано, что в мутантах metl-1 м о х е т происходить потеря метилированных остат ков цитозина не только в тринуклеотиде CpNpG, но и в асимметричных последовательностях [28 ]. У мутантов metl-1 уменьшение уровня метилирова ния в асимметричных мотивах может быть следст вием потери симметричных CpG динуклеотидов [5 ]. Все это указывает на более широкую субстрат-? ную специфичность последовательностей для ме- тилтрансферазы МЕТІ [28] . Ранее т а к а я возможность метилтрансфераз растений класса D n m t l / M E T l подтверждена ре зультатами изучения in vitro экспрессии гена РМЕТ гороха в бакуловирусе [11 ]. Следует отметить, что хотя МЕТІ-семейство генов арабидопсиса гомологично метилтрансфера- зам Dnmt l животных, растения арабидопсиса со сниженным уровнем метилирования являются, в отличие от Dnmtl -мутантов мыши, жизнеспособ ными несмотря на то, что у них выявлен ряд аномалий в развитии [1 , 26, 27, 2 9 ] . Уменьшение содержания 5 т е С связано с аберрантной экспрес сией генов, в том числе некоторых регуляторних генов морфогенеза [1 , 26, 2 7 ] . И, наоборот, воз можно эктопическое гиперметилирование ряда ге нов, например, SUPERMAN, AGAMOUS арабидоп сиса. По мнению Финнегана и соавт. [1 ], тот факт, что de novo ферментативная модификация цитози на может стимулироваться глобальным гипомети- лированием Д Н К , предполагает использование рас тениями этой эпигенетической детерминанты для защиты против факторов, нарушающих нормаль ную организацию генома. Функции остальных белков МЕТІ-семейст ва — МЕТПа, МЕТИЬ и М Е Т Ш еще не определе ны. Данные о предполагаемой роли М Е Т Ш проти воречивы, этот фермент, по-видимому, играет не значительную роль в метилировании Д Н К [4] . Множественность генов метилтрансфераз рас тений класса D n m t l / M E T l в дальнейшем подтвер ждена и для других растительных объектов — мор кови, гороха, риса [1 , 11, 19] . В частности, в геноме моркови обнаружены два гена, Metl и Met2, которые, являясь продуктами независимых дупликаций, имеют большую степень гомологии к МЕТІ, чем к МЕТИ арабидопсиса, в метилтрансфе- разной области. Предполагается, что оба они явля ются гомологами МЕТІ, однако располагаются в разных локусах. Больший размер Met2 обусловлен присутствием в его последовательности пятикратно повторяющегося элемента размером 171 пара нук- леотидов (п. н.) . В работе Берначиа и соавт. [10] иммунологическим методом показано, что метил- трансферазы эукариотов кодируются семейством генов. В геноме риса идентифицированы два ге на — OsMETl-1 (на хромосоме 3) и OsMETl-2 (на хромосоме 7) , первый из которых содержит 12 экзонов и 11 интронов, тогда как второй — 1 1 экзонов и 10 интронов. Хотя в целом для обоих генов выявлена высокая степень гомологии, для экзона 1 установлена лишь 24 %-я идентичность и показано, что в OsMETl-2 отсутствует интрон 3 гена OsMETl-1. Как и в других белках класса D n m t l / M E T l , две трети аминокислотных последо вательностей O s M E T l - 1 и O s M E T l - 2 составляет N-терминальная регуляторная область [19]. Хромометилазы С М Т растений. Следующий класс метилтрансфераз растений — хромометилазы СМТ. Среди известных ферментов, катализирую щих реакцию метилирования Д Н К эукариотов, класс СМТ является специфичным для растений. Его структурной особенностью является наличие хромодомена — короткого мотива, впервые обнару женного в хроматин-связывающих белках дрозофи лы (Hpl и Polycomb) [1 , 4, 6, 3 1 ] . СМТ найдены как у однодольных, так и у двудольных растений. Предполагается, что хромометилазы принадлежат к специализированному типу поддерживающих ме тилтрансфераз, предоставляющих растительному геному другую возможность для распространения метилированных остатков цитозина, а именно — метилирование симметричных CpNpG и /или асим метричных последовательностей [5, 6, 13]. Описа но несколько мутантов арабидопсиса по гену СМТЗ и показано, что отсутствие функциональной актив ности этого гена приводит к обширной потере метальных групп в 5 т е С pNpG-мотивах, а также к снижению уровня метилирования асимметричных сайтов в некоторых локусах [5, 32 ]. Фермент СМТ может контролировать, в частности, метилирова ние ретротранспозона ТаЗ и центромерных повто ров размером 180 п. н. арабидопсиса, а также осуществлять ферментативную модификацию ци тозина асимметричных последовательностей одного из его локусов — SUPERMAN [5]. Существует мнение, что СМТЗ преимущест венно метилирует родственные транспозонам по следовательности [37] . Что касается гена ZMET2, AM ТИЩЕНКО Е. Н., ДУБРОВНАЯ О. В. то для изучения его функции были получены гомозиготные растения кукурузы со встроенным в консервативный мотив IX транспозонным элемен том Mutator. Показано, что гипометилирование происходило только в тринуклеотиде CpNpG, тогда как уровень ферментативной модификации CpG и асимметричных мотивов Д Н К не изменялся [6] . Это свидетельствует о возможной специфичности метилирования мотивов Д Н К , отличных от CpG, для метилтрансфераз типа СМТ двудольных и однодольных растений. Аминокислотные последовательности СМТ, как и таковые других метилтрансфераз, содержат консервативные элементы, характерные для ката литической С-терминальной области. Однако они отличаются по организации консервативных ме- тилтрансферазных мотивов и по структуре N-тер- минального регуляторного домена. В последнем отсутствует ~ 750 аминокислотных остатков, обна руженных в белках D n m t l / М Е Т І - к л а с с а метил трансфераз. В то же время известные хромометила- зы по размеру аналогичны Dnmt3-K7iaccy [6] . Сравнительное изучение аминокислотных по с л е д о в а т е л ь н о с т е й х р о м о м е т и л а з к у к у р у з ы ZMET2, ZMET5 и арабидопсиса СМТ1 СМТ2 СМТЗ выявило наличие консервативных I, IV, VI, VIII, IX и X мотивов. Хромообласть обычно лока лизуется между мотивами I и IV. N-терминальные области хромометилаз содержат также серии убик- витин-связанных (UBA) доменов. Кроме того, все хромометилазы содержат ВАН область (bromo adja cent homology), которая в геномах животных имеет отношение к взаимосвязи метилирования и репли кации, а также к регуляции транскрипции [6, 13]. В отличие от хромометилаз обе метилтрансферазы класса D n m t l / M E T l (МЕТІ и ZMET1) содержат два ВАН домена в N-терминальной регуляторной области. На основании этого предполагается, что хромометилазы и ферменты типа МЕТІ произошли от общего предшественника [13] . Исключительное присутствие хромометилаз в растениях позволяет объяснить более высокий уровень метилирования их CpNpG последовательностей по сравнению с одноименными сайтами Д Н К животных [6] . С помощью филогенетического анализа пока зано, что белки ZMET2 и ZMET5 являются более близкородственными к СМТ1 и СМТЗ, чем к СМТ2. N-терминальная область ZMET2 меньше таковой в D n m t l / M E T l классе метилтрансфераз, тем не менее, в ней содержится предполагаемый сигнал ядерной локализации. Кроме того, амино кислотные последовательности хромодоменов явля ются консервативными для ZMET2 и СМТ1. На ферментативную модификацию цитозина в тринуклеотидах CpNpG, по-видимому, оказывает влияние метилирование Lys9 гистона НЗ. Показа но, что Swi6, гомолог Н Р 1 , напрямую взаимодейст вует с Lys9 гистона НЗ [33] и что мутация гена kryptonite Arabidopsis thaliana, кодирующего гисто- новую метилтрансферазу, приводит к потере мети лирования Д Н К [34 ]. Механизм, лежащий в осно ве такой зависимости метилирования Д Н К от мо дификации гистона, еще не ясен. Тем не менее, адаптерный белок LHP1 арабидопсиса, способный связываться с гистоном НЗ при метилировании Lys9, взаимодействует с метилтрансферазой СМТЗ. Следует отметить, что известные данные о после довательности метилирования Lys9 гистона НЗ и симметричных мотивов Д Н К противоречивы. Так, в частности, в работе [36] показано, что в нуль- мутантах арабидопсиса по гену МЕТІ полное от сутствие метилирования CpG мотивов в гетерохро- матине приводит к потере метилирования лизина. Класс метилтрансфераз растений Dnmt3. У растений, как и у животных, метилирование Д Н К de novo, по всей видимости, осуществляют фермен ты класса Dnmt3. Идентифицированы гены DRM1 и DRM2 арабидопсиса, Zmet3 кукурузы, NtDRMl табака [5, 8, 13] . В отличие от описанных выше ферментов, в белках DRM2 (DRM — Domains Re arranged Methylase) и Zmet3 наблюдается пере стройка консервативных каталитических мотивов. Большинство метилтрансфераз, включая Dnmt3 животных, содержат мотивы I—VI, IX и X от N - к С-терминальной области белка. Однако в амино кислотных последовательностях этих ферментов арабидопсиса и кукурузы наблюдается измененное расположение консервативных мотивов, а имен но — VI, IX, X, I—V. Д л я метилтрансфераз пере стройка консервативных элементов каталитической области не ограничивается растениями. Так , для бактериальной метилтрансферазы (^))BssHII пока зано, что мотивы IX и X предшествуют I—VIII, в то время как в AquI мотивы IX и X локализованы в отдельной субъединице [13, 15] . Тот факт, что такие прокариотные ферменты не утрачивают ме- тилтрансферазной активности, свидетельствует о том, что обычное расположение консервативных элементов несущественно для их функции [13]. Идентичность аминокислотных последователь- 468 МЕТИЛТРАНСФЕРАЗЫ РАСТЕНИЙ ностей генов белков DRM и Zmet3 составляет 66 % в С-терминальной, и только 28 % — в N-терми- нальной областях. Кроме того, они содержат не сколько аминокислотных последовательностей, яв ляющихся, как полагают, критическими для функ ционирования цитозиновых метилтрансфераз. Так, Phe-Gly-Xaa-Gly-остатки входят в состав мотива I, связывающего SAM, инвариантный дипептид Pro- Cys каталитического центра — в мотив IV, Glu- Asn-Val остатки — в мотив узнавания VI. Считает- . ся, что DRM2 и Zmet3 являются функциональными метилтрансферазами. Они содержат в N-терми- нальных областях серии UBA доменов, функция которых неясна. Предполагается, что эти домены могут обеспечивать взаимосвязь между метилиро ванием Д Н К и убиквитин/протеосомными путями [13] . К метилтрансферазам, осуществляющим de no vo метилирование преимущественно в последова тельностях, отличных от CpG мотивов, относится также NtDRMl табака. Ген этого фермента коди рует белок из 608 аминокислотных остатков, в котором имеются области, аналогичные DRM куку рузы и арабидопсиса [8 ]. Показано, что этот белок локализован исключительно в ядре и проявляет метилазную активность к неметилированным как синтетическим, так и нативным Д Н К . Он также ферментативно модифицирует полуметилирован ную Д Н К , но его активность значительно ниже, чем для неметилированного субстрата. Экспери менты in vitro показали, что приблизительно 70 % остатков цитозина метилируется в асимметричных CpNpN и симметричных CpNpG мотивах, тогда как в динуклеотиде CpG — только 10 %. Этот фермент неселективно метилирует любые остатки цитозина безотносительно к смежным нуклеотидам с обоих (5 ' и 3') концов, за исключением CpG мотивов. Одна из функций генов DRM1 и DRM2 араби допсиса — метилирование de novo цитозина во всех известных контекстах последовательностей: CpG, CpNpG, CpNpN. Для последних показано предпоч тительное метилирование СрА и СрТ сайтов по сравнению с СрС. Об этой функции ферментов свидетельствует анализ ряда генов в мутантах по двум генам — drml, drm.2. В частности, не проис ходит инициирующего метилирования прямых по второв локуса FWA, которое обычно имеет место при трансформации FWA в растения дикого типа. В двойных мутантах также блокируется de novo метилирование локуса SUPERMAN, осуществляе мое в присутствии инвертированного повтора этого гена [13]. Однако в мутантах drm не наблюдается реактивации предварительно метилированных и эпигенетически молчащих аллелей SUPERMAN и FWA. Поэтому предположено [13] , что DRM гены необходимы для установления, а не для поддержа ния молчания генов. В дальнейшем было показано, что гены DRM могут выполнять поддерживающее метилирование асимметричных последовательностей и CpNpG мо тивов ДНК [5] . Однако в некоторых локусах, таких как SUPERMAN, метилтрансферазы DRM функционируют совместно с СМТЗ, поскольку лишь в триплетных мутантах drml drm2 cmt3 теряются метилированные остатки цитозина во всех асимметричных последовательностях. Более того, в некоторых локусах для поддержания мети лирования тринуклеотидов CpNpG ферменты DRM являются более важными, чем СМТЗ. По предпо ложению Кейо и соавт. [5] , гены DRM и СМТЗ функционируют избыточно и локус-специфичным образом для осуществления контроля метилирова ния в асимметричных и CpNpG мотивах. Кроме вышеизложенного, участие метилтранс фераз DRM и СМТЗ показано в РНК-направлен ном метилировании Д Н К (RdDM, RNA-directed DNA methylation, процесс de novo метилирования последовательностей Д Н К , идентичных триггерным двунитчатым Р Н К разных источников, в частно сти, вирусов, трансгенов, транспозонов) [38, 3 9 ] . Установлено, что ни drm, ни cmt3 мутации не влияют на поддержание предварительно установ ленного РНК-направленного метилирования CpG мотивов. Однако в drm мутантах происходит почти полная потеря метальных групп в асимметричных и частичная — в 5теСрЫрС-последовательностях. Поддержание метилирования в остальных не-CpG- мотивах зависело от активности СМТЗ, что свиде тельствует о совместном действии DRM и СМТЗ при РНК-направленном метилировании Д Н К [38 ]. Следует отметить, что, по-видимому, эти фермен ты проявляют функциональную активность после образования коротких' интерферирующих Р Н К (siRNA), которые, как известно [40] , являются результатом процессинга двунитчатых РНК, по скольку в триплетных мутантах drml drm2 cmt3 выявлено отсутствие He-CpG-метилирования при повышенном уровне siRNA [38 ]. Кроме того, пока зано, что активность ферментов DRM необходима 469 ТИЩЕНКО Е. Н., ДУБРОВНАЯ О. В. для de novo метилирования во всех контекстах мотивов Д Н К [38]. Экспрессия генов метилтрансфераз растений. Большинство известных генов метилтрансфераз растений экспрессируются повсеместно как в веге тативных, так и в генеративных органах, однако проявляют более высокий уровень экспрессии в меристематических тканях [7, 10, 2 6 ] . Разные члены семейства генов могут экспрессироваться дифференциально. Так , транскрипты МЕТІ по крайне мере в 10000 раз более избыточны, чем МЕТИ, в вегетативных и репродуктивных органах [1 ]. Хотя гены метилтрансфераз моркови макси мально экспрессируются в пролиферирующих клетках (меристемы, примордии листьев, клетки суспензии), существуют количественные и про странственные различия в их экспрессии. Так , м Р Н К Metl равномерно распределена в вегетатив ных апексах побегов и примордиях листьев разного возраста, в то время как присутствие м Р Н К Met! ограничено апикальными меристемами и самыми молодыми примордиями листьев. На более поздних этапах развития ген Met2 не функционирует. При соматическом эмбриогенезе моркови оба гена пред ставлены равномерно на стадии глобулы и сердца, тогда как на стадии торпеды м Р Н К Met2 (в отли чие от мРНК Metl, равномерно распределенной в продольных секциях) в основном сконцентрирована в меристемах побега и корня. В зиготических зародышах развивающихся семян наблюдается ана логичная модель экспрессии этих генов [10] . Оба гена метилтрансфераз риса класса D n m t l / M E T l экспрессируются в активно делящихся клетках, однако стационарный уровень м Р Н К OsMETl-2 в корнях, соцветиях и каллусах в 7—12 раз больше, чем м Р Н К OsMETl-1 [19] . Транскрипты гена NtDRMl табака повсеместно накапливаются во всех тканях и во время клеточного цикла в куль тивируемых ВУ2-клетках [8] . мРНК гена DRM2 т акже обнаружена во всех основных тканях кукурузы [13] . Экспрессия гена ZmMETl кукурузы происходит исключительно в активно пролиферирующих клетках апексов [8] . Это предполагает связь транскрипции ZmMETl гена с репликацией. Подтверждением этому слу жит одновременное уменьшением транскриптов ZmMETl и гистона НЗ , являющегося маркером репликации Д Н К , в проростках при их поранении и засолении, когда подавляется клеточное деление. Холодовый стресс также резко снижает экспрессию этих генов в клетках корней. Однако этот фактор окружающей среды не оказывает влияния на на копление транскриптов ZmMETl в мезокотиле побега, в то время как транскрипция гена гистона НЗ резко падает. Дифференциальное накопление транскриптов ZmMETl совпадает с уровнем содер жания его белка, определенного вестерн-блотин- гом. Холод индуцирует деметилирование Д Н К в областях A s / D s транспозонов, но не в других генах, причем такое деметилирование первона чально происходит в корнях. Эти результаты сви детельствуют о том, что экспрессия гена ZmMETl не зависит полностью от репликации Д Н К , и уровень метилирования Д Н К уменьшается селек тивно при холодовом стрессе. Показано, что DRM2 экспрессируется в листьях, корнях, соцветиях рас тений арабидопсиса, в то время как в этих же тканях посредством РНК-блот-анализа не обнару жено м Р Н К DRM1, что предполагает значительно более низкий уровень экспрессии гена DRM1, чем DRM2 [13] . Таким образом, на сегодня в растениях обна ружены три полифункциональных класса цитозин- С5-метилтрансфераз — D n m t l / M E T l , Dnmt3 и СМТ, которые, по-видимому, осуществляют под держивающее метилирование и метилирование de novo симметричных и асимметричных последова тельностей генома. Метилтрансферазы класса D n m t l / M E T l преимущественно метилируют CpG мотивы, тогда как хромометилазы СМТ класса — CpNpG последовательности Д Н К . Ферментативная модификация цитозина de novo как симметричных, так и асимметричных мотивов генома происходит при участии метилтрансфераз класса Dnmt3. Е. N. Tishchenko, О. V. Dubrovnaya Methyltransferases of plants Summary In the review the current data on the plant cytosine-C5-DNA- methyltransferases (methyltransferase) are summarized. Three dif ferent classes of these enzymes — Dnmtl/METl, Dnmt3 and CMT are discribed. The proposed function, dealing with maintenance and de novo methylation of cytosine residues in symmetric and asym metric motifs of DNA, is under discussion. Key words: methylation, cytosine, methyltransferase. О. M. Тищенко, О. В. Дубровна Метилтрансферази рослин Резюме В огляді узагальнено сучасні дані стосовно цитозин-С5-ДНК 470 МЕТИЛТРАНСФЕРАЗЫ РАСТЕНИЙ метилтрансфераз рослин. Наведено характеристику трьох різних класів цих ферментів — Dnmtl/METl, Dnmt3 і СМТ. Обговорюється їхня передбачувана функція, пов'язана з під тримуючим та de novo метилуванням залишків цитозину в симетричних і асиметричних мотивах ДНК Ключові слова: метилування, цитозин, метилтрансферази. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Finnegan R. J., Genger R. K, Peacock W. J., Dennis E. S. DNA methylation in plants / / Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Мої. Biol.—1998.—49.—P. 223—247. 2. Ng H.-H., Bird A. DNA methylation and chromatin modifica tion / / Curr. Opin. Genet. Develop.—1999.—9.—P. 158— 163. 3. Bestor Т. H. The DNA methyltransferase of mammals / / Hum. Мої. Genet—2000.—9.—P. 2395—2402. 4. Finnegan E. J., Kovac K. A. Plant DNA methyltransfereses / / Plant Мої. Biol.—2000.—43.—P. 189—201. 5. Cao X., Jacobsen S. Role of the Arabidopsis DRM methyl transfereses in de novo DNA methylation and gene silencing / / Curr. Biol.—2002.—12.—P. 1138—1144. 6. Papa С- M., Springer N. M., Muszynski M. G, Meeley R., Kaeppler S. M. Maize chromomethylase Zea methyltrans- ferase2 is required for CpNpG methylation / / Plant Cell.— 2001.—13.—P. 1919—1928. 7. Finnegan E. J., Dennis E. S. Isolation and identification by sequence homology of putative cytosine methyltransferase from Arabidopsis thailana II Nucl. Acids Res.—1993.—21.— P. 2383—2388. 8. Wada Y, Ohya H., Yamaguchi Y., Koizumi N.. Sano H. Preferential de novo methylation of cytosine residues in non-CpG sequences by a domains rearranged DNA methyl transferase from tobacco plants / / J. Biol. Chem.—2003.— 278.—P. 42386—42393. 9. Genger R. K, Kovac K. A., Dennis E. S., Peacock W. J., Finnegan E. J. Multiple DNA methyltransfereses in Arabidop sis thaliana II Plant Мої. Biol.—1999.—41.—P. 269—278. 10. Bernacchia G., Prima A., Giorgetti L., Pitto L., Cella R. Carrot DNA-methyltransferase is encoded by two classes of genes with differing patterns of expression / / Plant J.— 1998.—13.—P. 317—329. 11. Pradhan S., Cummings M., Roberts R. J., Adams R. L P. Isolation, characterization and baculovirus-mediated expression of the cDNA coding cytosine DNA methyltransferases from Pisum sativum II Nucl. Acids Res.—1998.—26.—P. 1214— 1222. 12. Sterwad N.. Kusano Т., Sano H. Expression of ZmMETl, a gene encoding a DNA methyltransferase from maize, is as sociated not only with DNA replication in actively proliferating cells, but also with altered DNA methylation status in coil- stressed quiescent / / Nucl. Acids Res.—2000.—28.— P. 3250-3259. 13. Cao X., Springer N. M., Muszynski M. G, Pillips R. L, Kaeppler S. M., Jacobson S. E. Conserved plant genes with similarly to mammalian de novo DNA methyltransferases / / Proc. Nat. Acad. Sci. USA.—2000.—97.—P. 4979—4984. 14. Chen X. DNA modification by methyltransferases / / Curr. Opin. Struct. Biol.—1995.—5.—P. 4—10. 15. Sethmann S., Ceglowski P., Willert J., Iwanicka-Neuticka R, Trantner T. A., Walter M. (^)BssHII A novel cytosine-C5- DNA-methyltransferase with target-recognizing domains at se parated localizations of the enzyme / / EMBO J.—1999.— 18.—P. 3502—3509. 16. Mi S., Roberts R. J. How M. Mspl and M.Hpall decide which base to methylate / / Nucl. Acids Res.—1992.—20 — P. 4811—4816. 17. Уел R. W. S-, Vertino P. M., Netkin B. D, Yu J. /., Deiry w. Isolation and characterization of the encoding human DNA methyltransferase / / Nucl. Acids Res. —1992.—20 — P. 2287—2291. 18. Bestor Т., Laudano A., Mattaliano R., Ingram V. Cloning and sequencing of cDNA encoding DNA methyltransferase of mouse cells / / J. Мої. Biol.—1988.—203.—P. 971—983. 19. Teerwanichpan P., Chandrasekharan M. В., Jiang Y., Naran- gajavana J., Hall Т. C. Characterization of two rice DNA methyltransferase genes and RNAi-mediated reactivation of a silenced transgene in rice callus / / Planta.—2004.—218.— P. 337-349. 20. Wada Y, Miyamoto K., Kusano Т., Sano H. Association between up- regulation of stress-responsive genes and hypo- methylation of genomic DNA in tobacco plants / / Мої. Genet Genomics.—2004.—271, N 6.—P. 658—666. 21. Leonhardt H, Page A. W., Weier H-U., Bestor T. H. A targeting sequences directs DNA methyltransferase to sites of DNA replication in mammalian nuclei / / Cell.—1992.—71.— P. 865—873. 22. Robertson K. L., Jones P. DNA methylation: past, present and future directions / / Carcinogenesis.—2000.—21.—P. 461 — 467. 23. Mimutinovic S., Zhuang Q., Niveleau A., Szyf M. Epigenomic Stress response. Knockdown of DNA methyltransferase 1 trig gers an intra-S-phase arrest of DNA replication and induction of stress response genes / / J . Biol. Chem.—2003.—278.— P. 14985—14995. 24. Vertino P. V., Sekowski J. A., Coll J. M., Applegren N.. Ham S., Hickey R. J., Malkas L. H. DNMT1 is a component of a multiprotein DNA replication complex / / Cell Cycle.—2002.— 1, N 6.—P. 416—423. 25. Okuwaki M., Verreault A. Maintenance DNA methylation of nucleosome core particles / / J. Biol. Chem.—2004.—279.— P. 2904—2912. 26. Ronemus M. J., Galbiati M., Ticknor C, Chen J., Dellaporta S. L. Demethylation- Induced development pleiotropy in Ara bidopsis II Science.—1996.—273.—P. 654—656. 27. Finnegan R. J., Peacock W. J., Dennis E. S. Reduced DNA methylation in Arabidopsis thaliana results in abnormal plant development / / Proc. Nat. Acad. Sci. USA—1996.—93 — P. 8449—8454. 28. Kankel M. W., Ramsey D. E., Stokes T. L, Flowers S. K, Haag J. R., Jeggeloh J. A., Riddle N. C, Verbsky M. L, Richards E. J. Arabidopsis МЕТІ cytosine methyltransferase mutant// Genetics—2003 —163.—P. 1109—1122. 29. Li E., Bestor Т. H., Jaenisch R. Targeted mutation of DNA methyltransferase gene results in embryonic lethality / / Cell.— 1992.—69.—P. 915—926. 30. Bartee L., Bender J. Two Arabidopsis methylation-deficiency mutations confer only partial effects on methylated endogenous gene family / / Nucl. Acids Res.—2001.—29.—P. 2127— 2134. 31. Henikoff S., Comai L. A DNA methyltransferase homology with chromodomain exists in multiple forms in Arabidopsis / / Genetics.—1998.—148.—P. 307—318. 32. Lindroth A. M., Cao X., Jackson J. P., Zilberman D., McCallum С. M., Henikoff S., Jacobsen S. E. Requirement of Chromo methylase 3 is required of CpXpG methylation / / Science.—2001 .—292.—P. 2077—2080. 33. Nakayama J., Rice J. C, Strahl B. D., Atlis D. C. Grewal S. 471 ТИЩЕНКО Е. Н., ДУБРОВНАЯ О. В. L S. Role of histone НЗ lysine 9 methylation in epigenetic control of heterochromatin assembly / / Science.—2001.— 292.—P. 110—113. 34. Jackson J. P., Lindroth A. M., Cao X., Jacobsen S. E. Control of CpNpG DNA methylation by the KRYPTONITE histone H3 methyltransferase / / Nature—2002.—416.—P. 556—560. 35. Giannino D., Mele G., Cozza ft, Bruno L., Testone G, Ticconi C, Bitonti M. В., Innocenti A. M., Mariotti D. Isolation and characterization of maintenance DNA methy ltransferase gene from peach (Prunus persica [L] Batsch). transcript localization in vegetative and reproductive meristems of triple buids / / J. Exp. Bot—2003.—54.—P. 2623—2633. 36. Tariq M., Saze #., Probst A. V., Lichota J., Habu Y., Paszkowski J. Erasure of CpG methylation in Apabidopsis alters patterns of histont H3 methylation in heterochromatin / / Proc. Nat. Acad. Sci. USA.—2003.—100.—P. 8823—8827. 37. Koto M., Miura A., Bender J., Jacobsen S. E., Kakutani T. Role of CG and non-CG methylation in immobilization of transposons in Arabidopsis II Curr. Biol.—2003.—13.— P. 421—426. 38. Cao X., Aufsatz W., Zilberman D., Mette M. P., Huang M. S., Matzke M., Jacobsen S. E. Role of the DRM and CTM3 methy(transferases in RNA- directed DNA methylation / / Curr. Biol.—2003.—13.—P. 2212—2217. 39. Mathieu O., Bender J. RNA-directed DNA methylation / / J. Cell Sci.—2004.—117.—P. 4881—4888. 40. Hamilton A., Voinnet O., Chappell L, Baulcombe D. The classes of short interfering RNA in RNA silencing / / EMBO J.—2002.—21.—P. 4671—4579. УДК 581.144:581.142:575.16:577.113.4 Надійшла до редакції 29.10.04 472
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-155877
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0233-7657
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T15:27:25Z
publishDate	2005
publisher	Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
record_format	dspace
spelling	Тищенко, Е.Н. Дубровная, О.В. 2019-06-17T14:48:13Z 2019-06-17T14:48:13Z 2005 Метилтрансферазы растений / Е.Н. Тищенко, О.В. Дубровная // Біополімери і клітина. — 2005. — Т. 21, № 6. — С. 463-472. — Бібліогр.: 40 назв. — рос. 0233-7657 DOI: http://dx.doi.org/10.7124/bc.00070C https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/155877 581.144:581.142:575.16:577.113.4 В обзоре обобщены современные данные о цшпозин-С5-ДНК метилтрансферазах растений. Охарактеризованы три различных класса этих ферментов – Dnmtl/METl, Dnmt3 и СМТ. Обсуждается их предполагаемая функция, связанная с поддерживающим метилированием и метилированием de novo остатков цитозина в симметричных и асимметричных мотивах ДНК. В огляді узагальнено сучасні дані стосовно цитозин-С5-ДНК метилтрансфераз рослин. Наведено характеристику трьох різних класів цих ферментів — Dnmtl/METl, Dnmt3 і СМТ. Обговорюється їхня передбачувана функція, пов'язана з під тримуючим та de novo метилуванням залишків цитозину в симетричних і асиметричних мотивах ДНК. In the review the current data on the plant cytosine-C5-DNA-methyltransferases (methyltransferase) are summarized. Three different classes of these enzymes – Dnmt1/MET1, Dnmt3 and CMT are discribed. The proposed function, dealing with maintenance and de novo methylation of cytosine residues in symmetric and asymmetric motifs of DNA, is under discussion. ru Інститут молекулярної біології і генетики НАН України Біополімери і клітина Огляди Метилтрансферазы растений Метилтрансферази рослин Methyltransferases of plants Article published earlier
spellingShingle	Метилтрансферазы растений Тищенко, Е.Н. Дубровная, О.В. Огляди
title	Метилтрансферазы растений
title_alt	Метилтрансферази рослин Methyltransferases of plants
title_full	Метилтрансферазы растений
title_fullStr	Метилтрансферазы растений
title_full_unstemmed	Метилтрансферазы растений
title_short	Метилтрансферазы растений
title_sort	метилтрансферазы растений
topic	Огляди
topic_facet	Огляди
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/155877
work_keys_str_mv	AT tiŝenkoen metiltransferazyrastenii AT dubrovnaâov metiltransferazyrastenii AT tiŝenkoen metiltransferaziroslin AT dubrovnaâov metiltransferaziroslin AT tiŝenkoen methyltransferasesofplants AT dubrovnaâov methyltransferasesofplants

Метилтрансферазы растений

Репозитарії

Схожі ресурси