ناقل ميثيل الحمض النووي

يمكن تقسيم إنزيمات نقل الميثيل (MTases) إلى ثلاث مجموعات مختلفة بناءً على التفاعلات الكيميائية التي تحفزها:

• m6A - تلك التي تولد N6-ميثيل أدينين EC 2.1.1.72
• m4C - تلك التي تولد N4-ميثيل سيتوزين EC 2.1.1.113
• m5C - تلك التي تولد C5-ميثيل سيتوزين EC 2.1.1.37

توجد إنزيمات ميثيل ترانسفيراز m6A و m4C بشكل أساسي في بدائيات النوى (على الرغم من أن الأدلة الحديثة تشير إلى أن m6A وفير في حقيقيات النوى ^{[ 1 ]} ). وتوجد إنزيمات ميثيل ترانسفيراز m5C في بعض حقيقيات النوى الدنيا، وفي معظم النباتات العليا، وفي الحيوانات بدءًا من شوكيات الجلد .

إنزيمات ميثيل ترانسفيراز m6A (ميثيل ترانسفيراز الحمض النووي الخاص بالأدينين N-6) (A-Mtase) هي إنزيمات تقوم بميثلة مجموعة الأمين في الموقع C-6 للأدينين في الحمض النووي. توجد هذه الإنزيمات في الأنواع الثلاثة الموجودة لأنظمة التقييد والتعديل البكتيرية (في النظام من النوع الأول، يكون A-Mtase نتاج جين hsdM، وفي النظام من النوع الثالث يكون نتاج جين mod). هذه الإنزيمات مسؤولة عن ميثلة تسلسلات محددة من الحمض النووي لمنع الخلية المضيفة من هضم جينومها الخاص عبر إنزيمات التقييد . تتمتع هذه الميثيل ترانسفيراز بنفس خصوصية التسلسل التي تتمتع بها إنزيمات التقييد المقابلة لها. تحتوي هذه الإنزيمات على وحدة محفوظة Asp / Asn - Pro -Pro - Tyr / Phe في قسمها الطرفي N، وقد تشارك هذه المنطقة المحفوظة في ارتباط الركيزة أو في النشاط التحفيزي . ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} تم تحديد بنية إنزيم N6-MTase TaqI (M.TaqI) بدقة 2.4 أنغستروم . يتكون الجزيء من نطاقين : نطاق تحفيزي في الطرف الأميني (N-terminal) يحتوي على مواقع الارتباط التحفيزي والعامل المساعد ، ويتألف من صفيحة بيتا مركزية مكونة من 9 خيوط، محاطة بخمسة حلزونات؛ ونطاق تعرف على الحمض النووي في الطرف الكربوكسيلي (C-terminal)، ويتكون من 4 صفائح بيتا صغيرة و8 حلزونات ألفا . يشكل النطاقان الطرفيان الأميني والكربوكسيلي شقًا يستوعب ركيزة الحمض النووي . ^{[ 6 ]} تم اقتراح تصنيف لإنزيمات N-MTases، بناءً على ترتيبات الزخارف المحفوظة (CM). ^{[ 5 ]} وفقًا لهذا التصنيف، تُصنف إنزيمات N6-MTases التي تحتوي على وحدة DPPY (CM II) التي تلي وحدة FxGxG (CM I) ضمن فئة D12 من إنزيمات N6-أدينين MTases. يتكون نظام التقييد والتعديل من النوع الأول من ثلاثة عديدات ببتيد R وM وS. تشكل الوحدتان الفرعيتان M (hsdM) وS معًا إنزيم ميثيل ترانسفيراز يقوم بمثيلة اثنين من بقايا الأدينين فيتتكون السلسلة المكملة من تسلسل التعرف على الحمض النووي ثنائي الأجزاء . في وجود الوحدة الفرعية R، يمكن للمركب أن يعمل أيضًا كإنزيم نوكلياز داخلي ، حيث يرتبط بنفس التسلسل المستهدف ولكنه يقطع الحمض النووي على مسافة معينة من هذا الموقع. يعتمد قطع الحمض النووي أو تعديله على حالة مثيلة التسلسل المستهدف . عندما يكون الموقع المستهدف غير معدل، يتم قطع الحمض النووي. عندما يكون الموقع المستهدف نصف مثيل، يعمل المركب كناقل مثيل للصيانة، حيث يعدل الحمض النووي بحيث تصبح كلتا السلسلتين مثيلتين . يحتوي hsdM على نطاق حلزوني ألفا في الطرف الأميني ، وهو نطاق HsdM الطرفي الأميني. ^{[ 7 ]}

من بين إنزيمات ميثيل ترانسفيراز m6A (ميثيل ترانسفيراز الحمض النووي الخاص بالأدينين N-6)، توجد مجموعة من إنزيمات الميثيل ترانسفيراز اليتيمة التي لا تشارك في نظام التقييد/الميثلة البكتيري. ^{[ 8 ]} تلعب هذه الإنزيمات دورًا تنظيميًا في التعبير الجيني وتنظيم دورة الخلية. يُعد كل من EcoDam من الإشريكية القولونية ^{[ 9 ]} وCcrM من كولوباكتر كريسينتوس ^{[ 10 ]} من الأعضاء المعروفة جيدًا في هذه العائلة. ومؤخرًا، تبين أن CamA من كلوستريديوم ديفيسيل يلعب أدوارًا وظيفية رئيسية في تكوين الأبواغ ، وتكوين الأغشية الحيوية ، والتكيف مع العائل. ^{[ 11 ]}

إنزيمات ميثيل ترانسفيراز m4C (ميثيل ترانسفيرازات الحمض النووي الخاصة بالسيتوزين N-4) هي إنزيمات تقوم بميثلة مجموعة الأمين في الموضع C-4 من السيتوزين في الحمض النووي. ^{[ 5 ]} توجد هذه الإنزيمات كمكونات لأنظمة التقييد والتعديل من النوع الثاني في بدائيات النوى . تتعرف هذه الإنزيمات على تسلسل محدد في الحمض النووي وتقوم بميثلة السيتوزين في ذلك التسلسل . وبهذا الفعل، تحمي الحمض النووي من التقطيع بواسطة إنزيمات التقييد من النوع الثاني التي تتعرف على نفس التسلسل.

إنزيمات ميثيل ترانسفيراز m5C (ميثيل ترانسفيراز الحمض النووي الخاص بالسيتوزين C-5) (C5 Mtase) هي إنزيمات تقوم بميثلة ذرة الكربون C-5 في السيتوزين في الحمض النووي لإنتاج C5-ميثيل سيتوزين . ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} في خلايا الثدييات ، تقوم إنزيمات ميثيل ترانسفيراز الخاصة بالسيتوزين بميثلة تسلسلات CpG معينة ، والتي يُعتقد أنها تُنظم التعبير الجيني وتمايز الخلايا . في البكتيريا ، تُعد هذه الإنزيمات مكونًا من مكونات أنظمة التقييد والتعديل، وتُستخدم كأدوات قيّمة للتلاعب بالحمض النووي. ^{[ 13 ] [ 15 ]} تم تحديد بنية إنزيم ميثيل ترانسفيراز HhaI (M.HhaI) بدقة 2.5 أنغستروم : يتكون الجزيء من نطاقين - نطاق تحفيزي أكبر يحتوي على مواقع ارتباط التحفيز والعامل المساعد ، ونطاق أصغر للتعرف على الحمض النووي. ^{[ 16 ]}

تم الإبلاغ عن أنواع ميثيل ترانسفيراز الحمض النووي المحفوظة للغاية من النوع m4C و m5C و m6A، ^{[ 17 ]} والتي تبدو أهدافًا واعدة لتطوير مثبطات جينية جديدة لمكافحة ضراوة البكتيريا ومقاومة المضادات الحيوية، من بين تطبيقات طبية حيوية أخرى.

تتعرف إنزيمات ميثيل ترانسفيراز الجديدة على تسلسل في الحمض النووي يسمح لها بمثيلة السيتوزينات حديثًا. وتُعبَّر هذه الإنزيمات بشكل رئيسي في المراحل المبكرة من نمو الجنين، وهي التي تُحدد نمط المثيلة. كما تنشط إنزيمات ميثيل ترانسفيراز الجديدة عندما تحتاج خلية تستجيب للإشارة، مثل العصبون ، إلى تغيير التعبير البروتيني. ^{[ 18 ]} على سبيل المثال، عندما يُنشئ التكييف الخوفي ذاكرة جديدة لدى الفئران، فإن 9.17% من الجينات في جينوم عصبون الحصين لدى الفئران تكون مثيلة بشكل تفاضلي. ^{[ 19 ]}

تقوم إنزيمات ميثيل ترانسفيراز الصيانة بإضافة الميثيل إلى الحمض النووي عندما يكون أحد خيوطه مثيلًا بالفعل. وتعمل هذه الإنزيمات طوال حياة الكائن الحي للحفاظ على نمط الميثيل الذي تم إنشاؤه بواسطة إنزيمات ميثيل ترانسفيراز الجديدة.

يُعدّ DNMT1 أكثر إنزيمات مثيلة الحمض النووي وفرةً في خلايا الثدييات، ويُعتبر إنزيم المثيلة الرئيسي المسؤول عن صيانة الحمض النووي في الثدييات . وهو يُضيف مثيلة بشكل أساسي إلى ثنائيات نيوكليوتيدات CpG نصف المثيلة في جينوم الثدييات. يتضمن نمط التعرف الخاص بالإنزيم البشري ثلاثة قواعد فقط من زوج ثنائي نيوكليوتيدات CpG: قاعدة C على أحد الشريطين وقاعدة CpG على الشريط الآخر. يسمح هذا الشرط المُخفف لخصوصية الركيزة للإنزيم بإضافة مثيلة إلى تراكيب غير عادية، مثل وسائط انزلاق الحمض النووي، بمعدلات جديدة تُعادل معدل الصيانة. ^{[ 27 ]} ومثل إنزيمات مثيلة السيتوزين-5 الأخرى في الحمض النووي، يتعرف الإنزيم البشري على السيتوزينات المقلوبة في الحمض النووي ثنائي الشريط، ويعمل بآلية الهجوم النيوكليوفيلي. ^{[ 28 ]} في خلايا السرطان البشرية، يُعدّ DNMT1 مسؤولاً عن كلٍ من إضافة المثيلة الجديدة والصيانة لجينات كابتة الأورام. ^{[ 29 ] [ 30 ]} يبلغ طول الإنزيم حوالي 1620 حمضًا أمينيًا . تشكل الأحماض الأمينية الـ 1100 الأولى النطاق التنظيمي للإنزيم، بينما تشكل الأحماض الأمينية المتبقية النطاق التحفيزي. ويرتبط هذان النطاقان بتكرارات من الجليسين - لايسين . كلا النطاقين ضروريان للوظيفة التحفيزية لإنزيم DNMT1.

يحتوي إنزيم DNMT1 على عدة أشكال متماثلة ، منها الشكل الجسدي DNMT1، وشكل متغاير ناتج عن عملية التضفير (DNMT1b)، وشكل خاص بالبويضة (DNMT1o). يُصنّع الشكل DNMT1o ويُخزّن في سيتوبلازم البويضة، ثم ينتقل إلى نواة الخلية خلال المراحل المبكرة من التطور الجنيني ، بينما يوجد الشكل الجسدي DNMT1 دائمًا في نواة الأنسجة الجسدية .

كانت الخلايا الجذعية الجنينية الطافرة التي تفتقر إلى جين DNMT1 قابلة للحياة، واحتوت على نسبة ضئيلة من الحمض النووي الميثيلي ونشاط إنزيم ميثيل ترانسفيراز. تموت أجنة الفئران المتماثلة الزيجوت لحذف في جين Dnmt1 في اليومين العاشر والحادي عشر من الحمل. ^{[ 31 ]}

على الرغم من أن هذا الإنزيم يُظهر تشابهًا كبيرًا في التسلسل مع إنزيمات ميثيل ترانسفيراز 5-ميثيل سيتوزين الموجودة في كل من بدائيات النوى وحقيقيات النوى، فقد تبين في عام 2006 أن هذا الإنزيم يقوم بمثيلة الموقع 38 في الحمض النووي الريبوزي الناقل لحمض الأسبارتيك، ولا يقوم بمثيلة الحمض النووي. ^{[ 32 ]} وقد تم تغيير اسم هذا الإنزيم من DNMT2 إلى TRDMT1 (إنزيم ميثيل ترانسفيراز 1 لحمض الأسبارتيك في الحمض النووي الريبوزي الناقل) ليعكس وظيفته البيولوجية بشكل أفضل. ^{[ 33 ]} يُعد TRDMT1 أول إنزيم ميثيل ترانسفيراز سيتوزين في الحمض النووي الريبوزي يتم تحديده في الخلايا البشرية.

إن DNMT3 عائلة من إنزيمات ميثيل ترانسفيراز الحمض النووي ، قادرة على مثيلة مواقع CpG نصف المثيلة وغير المثيلة بنفس المعدل. يشبه تركيب إنزيمات DNMT3 تركيب DNMT1، حيث ترتبط منطقة تنظيمية بمنطقة تحفيزية. تضم عائلة DNMT3 خمسة أعضاء على الأقل: DNMT3a1، وDNMT3a2، و3b، و3c، و3L.

يمكن لإنزيمات DNMT3a1 وDNMT3a2 وDNMT3b أن تُحفز مثيلة مواقع CpG في مُحفزات الجينات، مما يؤدي إلى كبح التعبير الجيني . كما يمكن لهذه الإنزيمات أن تُضيف مثيلة إلى مواقع CpG داخل المناطق المشفرة للجينات، حيث يُمكن لهذه المثيلة أن تزيد من نسخ الجينات. ^{[ 34 ]} أظهرت الدراسات التي أُجريت على DNMT3a1 أنه يتمركز بشكل تفضيلي في جزر CpG التي تحمل علامتين ثنائيتين هما H3K4me3 (علامة مُحفزة للنسخ) وH3K27me3 (علامة مُثبطة للنسخ)، وهو ما يتوافق مع مُحفزات العديد من عوامل النسخ . أما الدراسات التي أُجريت على DNMT3a2 في الخلايا العصبية ، فقد وجدت أن تغيرات مثيلة الحمض النووي الناتجة عن DNMT3a2 تحدث بشكل رئيسي في المناطق بين الجينات والمناطق الداخلية. ويُعتقد أن مثيلة الحمض النووي هذه في المناطق بين الجينات والمناطق الداخلية تُنظم على الأرجح نشاط المُعززات ، أو التضفير البديل ، أو التعبير عن الحمض النووي الريبوزي غير المشفر . ^{[ 35 ]}

يمكن أن يتواجد إنزيم DNMT3a1 مع بروتين الهيتروكروماتين (HP1) وبروتين ربط ميثيل-CpG (MeCBP)، بالإضافة إلى عدد من العوامل الأخرى. ^{[ 36 ]} كما يمكنه التفاعل مع DNMT1، وهو ما قد يُمثل تفاعلاً تعاونياً أثناء مثيلة الحمض النووي. يُفضل DNMT3a مثيلة CpG على مثيلة CpA وCpT وCpC، على الرغم من وجود تفضيل تسلسلي للمثيلة لكل من DNMT3a وDNMT3b. يُضيف DNMT3a مثيلة لمواقع CpG بمعدل أبطأ بكثير من DNMT1، ولكنه أسرع من DNMT3b.

يختلف التعبير عن DNMT3a2 عن DNMT3a1 وDNMT3b، إذ يتبع نمط التعبير عن DNMT3a2 نمط الجينات المبكرة الفورية . ويُحفز التعبير عن DNMT3a2 في الخلايا العصبية، على سبيل المثال، بفعل نشاط عصبي جديد. ^{[ 37 ] [ 35 ]} وقد يكون لهذا أهمية في تكوين الذاكرة طويلة الأمد . ^{[ 38 ]} ففي الفئران، ترتفع مستويات مثيلة الحمض النووي الجديدة في خلايا عصبية الحصين بعد تعرضها لحدث لا يُنسى، مثل التكييف الشرطي للخوف السياقي . ^{[ 19 ]} وقد وجد بايراكتار وكريوتز ^{[ 39 ]} أن مثبطات DNMT، عند تطبيقها على الدماغ، تمنع تكوين الذكريات طويلة الأمد.

يحتوي إنزيم DNMT3L على أنماط مثيلة الحمض النووي ، وهو ضروري لتكوين البصمات الجينية الأمومية ، على الرغم من كونه غير نشط تحفيزيًا . يُعبَّر عن DNMT3L أثناء تكوين الأمشاج ، حيث تحدث البصمة الجينية . يؤدي فقدان DNMT3L إلى التعبير عن كلا الأليلين لجينات لا يُعبَّر عنها عادةً بواسطة الأليل الأمومي. يتفاعل DNMT3L مع DNMT3a وDNMT3b، ويتواجد معهما في النواة. على الرغم من أن DNMT3L يبدو غير قادر على المثيلة ، إلا أنه قد يشارك في كبت النسخ .

بسبب التأثيرات اللاجينية لعائلة DNMT، يتم البحث في بعض مثبطات DNMT لعلاج بعض أنواع السرطان: ^{[ 40 ]}

• فيدازا ( أزاسيتيدين ) في المرحلة الثالثة من التجارب السريرية لعلاج متلازمات خلل التنسج النخاعي وسرطان الدم النخاعي الحاد
• دواء داكوجين ( ديسيتابين ) في المرحلة الثالثة من التجارب السريرية لعلاج ابيضاض الدم النخاعي الحاد (AML) وابيضاض الدم النخاعي المزمن (CML) . تمت الموافقة عليه من قبل الاتحاد الأوروبي في عام 2012 لعلاج ابيضاض الدم النخاعي الحاد (AML). ^{[ 41 ]}
• غواديسيتابين، وهو دواء تجريبي قيد التطوير من قبل شركتي أستكس للأدوية وأوتسوكا للأدوية. وقد فشل في تحقيق الأهداف الرئيسية في تجربة المرحلة الثالثة لعلاج ابيضاض الدم النخاعي الحاد في عام 2018.