Metylace je termín používaný v chemických vědách k označení navázání nebo nahrazení methylové skupiny na různé substráty. Tento termín se běžně používá v chemii, biochemii a biologických vědách.
V biochemii se methylací přesněji rozumí nahrazení atomu vodíku methylovou skupinou.
V biologických systémech je methylace katalyzována enzymy; tato methylace se může podílet na regulaci genové exprese, regulaci proteinové funkce a metabolismu RNA.
Metylace přispívající k epigenetické dědičnosti může probíhat buď metylací DNA nebo metylací proteinů.
Metylace DNA u obratlovců se typicky vyskytuje na místech CpG (cytosin-fosfát-guaninová místa; to znamená, že po cytosinu v sekvenci DNA přímo následuje guanin); výsledkem této metylace je konverze cytosinu na 5-methylcytosin. Tvorba Me-CpG je katalyzována enzymem DNA methyltransferázou. Místa CpG jsou v genomech obratlovců neobvyklá, ale často se nacházejí ve vyšší hustotě v blízkosti genových promotorů obratlovců, kde jsou souhrnně označovány jako ostrovy CpG. Metylační stav těchto míst CpG může mít zásadní vliv na genovou aktivitu/expresi.
Metylace bílkovin obvykle probíhá na reziduích argininu nebo lysinových aminokyselin v proteinové sekvenci. Arginin může být metylován jednou (monometylovaný arginin) nebo dvakrát, a to buď oběma methylovými skupinami na jednom terminálním dusíku (asymetrický dimethylovaný arginin) nebo jednou na obou dusících (symetrický dimethylovaný arginin) peptidylarginin methyltransferázami (PRMT). Lysin může být metylován jednou, dvakrát nebo třikrát lysin methyltransferázami. Metylace bílkovin byla nejlépe studována v histonech. Přenos methylových skupin z S-adenosyl methioninu do histonů je katalyzován enzymy známými jako histonmethyltransferázy. Histony, které jsou metylovány na určitých reziduích, mohou epigeneticky působit na potlačení nebo aktivaci exprese „genů“. Metylace bílkovin je jedním z typů posttranslační modifikace.
V raném vývoji (oplodnění do stádia 8 buněk) je eukaryotický genom demetylován. Od stádia 8 buněk do moruly dochází k de novo metylaci genomu, která modifikuje a přidává epigenetickou informaci do genomu. Ve stádiu blastuly je metylace kompletní. Tento proces se označuje jako „epigenetické přeprogramování“. Význam metylace byl prokázán u knockout mutantů bez DNA methyltransferázy. Všechna vzniklá embrya zemřela ve stádiu moruly.
Methylace v postnatálním vývoji
Stále více důkazů odhaluje roli metylace v interakci environmentálních faktorů s genetickou expresí. Rozdíly v mateřské péči během prvních 6 dnů života u potkanů vyvolávají diferenciální vzorce metylace v některých promotorových oblastech a tím ovlivňují genovou expresi (Weaver IC, et al (Aug 2004; epub Jun 27 2004). Epigenetické programování podle chování matky.. Nature Neuroscience 7(8): 791-92.). Dále bylo prokázáno, že i dynamičtější procesy jako interleukinová signalizace jsou regulovány metylací (Bird A. (Mar 2003). Il2 transkripce uvolněná aktivní demetylací DNA.. Nature Immunology 4(3): 208-9.).
Vzorec metylace se v poslední době stal důležitým tématem výzkumu. Studie zjistily, že v normální tkáni je metylace genu lokalizována především do kódující oblasti, která je chudá na CpG. Oproti tomu promotorová oblast genu je nemethylovaná, a to i přes vysokou hustotu CpG ostrovů v oblasti.
Neoplazie je charakterizována „metylační nerovnováhou“, kdy celogenomová hypomethylace je doprovázena lokalizovanou hypermetylací a zvýšením exprese DNA methyltransferázy (1). Celkový stav metylace v buňce může být také urychlujícím faktorem v karcinogenezi, protože důkazy naznačují, že celogenomová hypomethylace může vést k nestabilitě chromozomů a zvýšenému počtu mutací (3). Metylační stav některých genů může být použit jako biomarker pro tumorigenezi. Například hypermetylace genu pi-třídy glutathion S-transferázy (GSTP1) se zdá být slibným diagnostickým indikátorem karcinomu prostaty (2).
U nádorových onemocnění je dynamika genetického a epigenetického umlčování genů velmi odlišná. Somatická genetická mutace vede k zablokování tvorby funkčního proteinu z mutované alely. Pokud je buňce poskytnuta selektivní výhoda, buňky se klonálně rozšíří a vznikne nádor, ve kterém všechny buňky postrádají schopnost produkovat protein. Naopak epigeneticky zprostředkované umlčování genů nastává postupně. Začíná jemným poklesem transkripce, což podporuje pokles ochrany CpG ostrova před šířením doprovodného heterochromatinu a metylace na ostrov. Tato ztráta má za následek postupné zvyšování jednotlivých CpG míst, která se liší mezi kopiemi stejného genu v různých buňkách (6).
Metylace a bakteriální obrana hostitele
Metylace adenosinu nebo cytosinu je navíc součástí restrikčního modifikačního systému mnoha bakterií. Bakteriální DNA jsou metylovány periodicky v celém genomu. Metyláza je enzym, který rozpozná specifickou sekvenci a metyluje jednu ze zásad v této sekvenci nebo v její blízkosti. Cizí DNA (které nejsou metylovány tímto způsobem), které jsou zaváděny do buňky, jsou degradovány restrikčními enzymy. To funguje jako jakýsi primitivní imunitní systém, který umožňuje bakteriím chránit se před infekcí bakteriofágem nebo fágem. Tento typ metylace je základem testování polymorfismu délky restrikčních fragmentů (RFLP). Pomocí této techniky genetici používají různé bakteriální restrikční endonukleázy (restrikční enzymy) k rozdělení DNA na specifických místech za účelem detekce polymorfismů DNA, což je užitečné pro genetické snímání otisků prstů a genetické inženýrství.
Metylace může alternativně zahrnovat použití nukleofilních methylových sloučenin, jako je methyllithium (CH3Li) nebo Grignardova činidla (CH3MgX). Například CH3Li methyluje aceton a přidává přes karbonyl (C=O) za vzniku alkoxidu lithného terc-butanolu: