Metylace DNA je typ chemické modifikace DNA, kterou lze zdědit bez změny sekvence DNA. Jako taková je součástí epigenetického kódu.
Metylace DNA zahrnuje přidání methylové skupiny do DNA – například na uhlík s číslem 5 cytosin pyrimidinového kruhu.
Metylace DNA je u eukaryot pravděpodobně univerzální. U lidí podléhá metylaci DNA přibližně 1% DNA bází. V somatických tkáních dospělých se metylace DNA obvykle vyskytuje v kontextu CpG dinukleotidu; v embryonálních kmenových buňkách převládá metylace jiná než CpG.
V rostlinách jsou cytosiny metylovány jak symetricky (CpG nebo CpNpG), tak asymetricky (CpNpNp), kde N může být jakýkoliv nukleotid.
Metylace DNA u savců
Mezi 60-70% všech CpG je metylováno. Nemetalizované CpG jsou seskupeny do klastrů zvaných „CpG ostrovy“, které jsou přítomny v 5′ regulačních oblastech mnoha genů. V mnoha chorobných procesech, jako je rakovina, získávají genový promotor CpG ostrovy abnormální hypermetylaci, což vede k dědičnému transkripčnímu umlčení. Metylace DNA může ovlivnit transkripci genů dvěma způsoby. Za prvé, metylace DNA může sama o sobě fyzicky bránit vazbě transkripčních proteinů na gen, čímž dochází k bokování transkripce. Za druhé, což je pravděpodobně důležitější, může být metylovaná DNA vázána proteiny známými jako Methyl-CpG-binding domain proteins (MBDs). MBD proteiny pak rekrutují další proteiny do lokusu, jako jsou histonové deacetylázy a další chromatinové remodelační proteiny, které mohou modifikovat histony, a tím vytvořit kompaktní, neaktivní chromatin zvaný tichý chromatin. Tato vazba mezi metylací DNA a strukturou chromatinu je velmi důležitá. Zejména ztráta proteinu 2 vázajícího Methyl-CpG (MeCP2) byla zapletena do Rettova syndromu a protein 2 vázající Methyl-CpG (MBD2) zprostředkovává transkripční umlčování hypermetylovaných genů u nádorových onemocnění.
U lidí je proces metylace DNA prováděn třemi enzymy, DNA methyltransferázou 1, 3a a 3b (DNMT1, DNMT3a, DNMT3b). Má se za to, že DNMT3a a DNMT3b jsou de novo methyltransferázy, které v raném stadiu vývoje vytvářejí vzorce metylace DNA. DNMT1 je navržená udržovací methyltransferáza, která je zodpovědná za kopírování vzorců metylace DNA do dceřiných řetězců během replikace DNA. DNMT3L je protein, který je homologický s ostatními DNMT, ale nemá žádnou katalytickou aktivitu. Místo toho DNMT3L pomáhá de novo methyltransferázám tím, že zvyšuje jejich schopnost vázat se na DNA a stimuluje jejich aktivitu.
Vzhledem k tomu, že mnoho genů potlačujících nádory je během karcinogeneze umlčeno metylací DNA, došlo k pokusům o opakovanou expresi těchto genů inhibicí DNMT. 5-aza-2′-deoxycytidin (decitabin) je nukleosidový analog, který inhibuje DNMT tím, že je zachycuje v kovalentním komplexu na DNA tím, že zabraňuje beta-eliminačnímu kroku katalýzy, což vede k degradaci enzymů. Aby však byl decitabin aktivní, musí být začleněn do genomu buňky, což však může způsobit mutace v dceřiných buňkách, pokud buňka nezemře. Navíc je decitabin toxický pro kostní dřeň, což omezuje velikost jejího terapeutického okna. Tyto nástrahy vedly k rozvoji antisense RNA terapií, které se zaměřují na DNMT tím, že degradují jejich mRNA a brání jejich translaci. V současné době však není jasné, zda cílení na samotný DNMT1 je dostačující k reaktivaci genů potlačujících nádory umlčených metylací DNA.
Významného pokroku bylo dosaženo v chápání metylace DNA v rostlinách, konkrétně v modelové rostlině Arabidopsis thaliana. Hlavní metyltransferázy DNA v A. thaliana, Met1, Cmt3 a Drm2 jsou na sekvenční úrovni podobné savčím metyltransferázám. Drm2 se pravděpodobně podílí na de-novo metylaci DNA a také na udržování metylace DNA. Cmt3 a Met1 působí především na udržování metylace DNA.
Jiné metyltransferázy DNA jsou exprimovány v rostlinách, ale nemají žádnou známou funkci (viz ). Předpokládá se, že specifičnost pro metyltransferázy DNA je dána metylací DNA řízenou RNA. Specifické transkripty RNA jsou vytvářeny z genomové DNA šablony. Tyto transkripty RNA mohou tvořit dvouvláknové molekuly RNA. Dvojvláknové RNA, buď prostřednictvím malých interferujících drah RNA (siRNA) nebo mikro RNA (miRNA), řídí lokalizaci metyltransferáz DNA na specifické cíle v genomu.