Bei der DNA-Methylierung handelt es sich um eine chemische Abänderung an Grundbausteinen der Erbsubstanz einer Zelle. Diese Abänderung (Modifikation) wird durch die Übertragung von Methylgruppen durch Enzyme (DNA-Methyltransferasen) auf Nukleobasen an bestimmten Stellen der DNA bewirkt. Da das Grundgerüst der jeweiligen Nukleobase dabei erhalten bleibt, ist die DNA-Methylierung keine genetische Mutation, sondern eine Modifikation.
DNA-Methylierungen kommen in sehr vielen verschiedenen – möglicherweise in allen – Lebewesen vor und haben verschiedene biologische Funktionen. Die Abfolge der DNA-Methylierung kann sich an dem entsprechenden Muster der Mutterzelle orientieren und ist dann Teil des epigenetischen Codes einer Zelle. DNA-Methylierung ist die wichtigste epigenetische Veränderung.
Vorkommen Organismengruppen Die DNA-Methylierung ist in Organismen aus allen drei Domänen zu finden (BakterienB. A. Braaten, X. Nou, L. S. Kaltenbach, D. A. Low: Methylation patterns in pap regulatory DNA control pyelonephritis-associated pili phase variation in E. coli. In: Cell. Band 76, Nummer 3, Februar 1994, S. 577–588. PMID 7906204., ArchaeenMatthew J. Blow, Tyson A. Clark, Chris G. Daum, Adam M. Deutschbauer, Alexey Fomenkov, Roxanne Fries, Jeff Froula, Dongwan D. Kang, Rex R. Malmstrom, Richard D. Morgan, Janos Posfai, Kanwar Singh, Axel Visel, Kelly Wetmore, Zhiying Zhao, Edward M. Rubin, Jonas Korlach, Len A. Pennacchio, Richard J. Roberts: The Epigenomic Landscape of Prokaryotes. In: PLoS Genet. 12(2), Feb 2016, S. e1005854. doi:10.1371/journal.pgen.1005854. PMID 26870957. ., Eukaryoten).
Die DNA-Methylierung betrifft nicht nur das eigene Erbgut der jeweiligen Zelle, sondern kann auch fremdes Erbgut, z. B. das von Viren betreffen. Darüber hinaus kann sich die DNA-Methylierung von diesen Viren auch auf das Erbgut der Wirtszellen auswirken (z. B. bei PflanzenM. M. Pooggin: How can plant DNA viruses evade siRNA-directed DNA methylation and silencing? In: International journal of molecular sciences. Band 14, Nummer 8, Juli 2013, S. 15233–15259, doi:10.3390/ijms140815233, PMID 23887650, (Review)., dem MenschenS. Mukherjee, V. C. Vipat, A. K. Chakrabarti: Infection with influenza A viruses causes changes in promoter DNA methylation of inflammatory genes. In: Influenza and other respiratory viruses. Band 7, Nummer 6, November 2013, S. 979–986, doi:10.1111/irv.12127, PMID 23758996, . oder BakterienJ. E. Shin, C. Lin, H. N. Lim: Horizontal transfer of DNA methylation patterns into bacterial chromosomes. In: Nucleic acids research. Band 44, Nummer 9, 05 2016, S. 4460–4471, doi:10.1093/nar/gkw230, PMID 27084942, .).
Nukleobasen Bisher (2016) wurden zwei Nukleobasen gefunden, an denen eine natürliche, enzymatische DNA-Methylierung stattfindet: Adenin und Cytosin. Die veränderten Basen sind N6-MethyladeninD. B. Dunn, J. D. Smith: The occurrence of 6-methylaminopurine in deoxyribonucleic acids. In: Biochem J. 68(4), Apr 1958, S. 627–636. PMID 13522672. ., 5-MethylcytosinB. F. Vanyushin, S. G. Tkacheva, A. N. Belozersky: Rare bases in animal DNA. In: Nature. 225, 1970, S. 948–949. PMID 4391887. und N4-Methylcytosin.Melanie Ehrlich, Miguel A. Gama-Sosa, Laura H. Carreira, Lars G. Ljungdahl, Kenneth C. Kuo, Charles W. Gehrke: DNA methylation in thermophilic bacteria: N6-methylcytosine, 5-methylcytosine, and N6-methyladenine. In: Nucleic Acids Research. 13, 1985, S. 1399. PMID 4000939. .
Grundformen100px 80px Adenin, A Cytosin, C Veränderte Nukleobasen105px125px110px N6-Methyladenin, 6mA 5-Methylcytosin, 5mC N4-Methylcytosin, 4mC
400px|mini|Methylierungen in Prokaryoten – in manchen der prokaryotischen Organismen treten alle bisher bekannten drei Typen der DNA-Methylierung auf:N4-Methylcytosin (m4C), 5-Methylcytosin (m5C) und N6-Methyladenin (m6A). Von den dargestellten sechs Beispielen gehören zwei der Domäne Archaea und vier der Domäne Bacteria an (Angaben aus Blow et al., 2016). In der linken Spalte stehen die Artnamen der Organismen, rechts daneben Beispiele für methylierte DNA-Motive. (Die vollständigen Namen der Archaeen- bzw. Bakterienstämme lauten nach NCBI-Taxonomie: „Methanocaldococcus jannaschii DSM 2661“, „Methanocorpusculum labreanum Z“, „Clostridium perfringens ATCC 13127“, „Geopsychrobacter electrodiphilus DSM 16401“, „Rhodopseudomonas palustris CGA009“ und „Salmonella enterica subsp. enterica serovar Paratyphi A str. ATCC 9150“.)
Alle drei Varianten lassen sich in beiden Prokaryoten-Domänen, den Bakterien und den Archaeen finden.Die dritte methylierte Form einer Nukleobase, N4-Cytosin, wurde von Ehrlich et al. (1985, PMID 4000939) in verschiedenen Prokaryoten gefunden. Zu dieser Zeit wurden sie generell als Bakterien bezeichnet und später den verschiedenen Domänen Bacteria und Archaea zugeordnet (Woese et al. 1990, PMID 2112744). In Eukaryoten ist häufig 5-Methylcytosin vorhanden, das dann an CpG-Stellen auftritt. Allerdings kommt auch N6-Methyladenin vor und wurde zuerst in einigen einzelligen Eukaryoten gefunden. Das betrifft z. B. die Grünalge Chlamydomonas reinhardii und das Wimperntierchen Tetrahymena pyriformis.S. Hattman, C. Kenny, L. Berger, K. Pratt: Comparative study of DNA methylation in three unicellular eucaryotes. In: J Bacteriol. 135(3), Sep 1978, S. 1156–1157. PMID 99431. . Das Vorhandensein von N6-Methyladenin in der DNA der Mitochondrien von Säugetieren und den Chromosomen wurde nahezu ausgeschlossen.D. Ratel, J.-L. Ravanat, M.-P. Charles, N. Platet, L. Breuillaud, J. Lunardi, F. Berger, D. Wion: Undetectable levels of N6-methyl adenine in mouse DNA: Cloning and analysis of PRED28, a gene coding for a putative mammalian DNA adenine methyltransferase. In: FEBS Lett. 580, 2006, S. 3179–3184. PMID 16684535. doi:10.1016/j.febslet.2006.04.074.
Neuere Untersuchungen zeigen, dass N6-Methyladenin als modifizierte Base der DNA bei Eukaryoten eine größere Rolle spielt als zuvor angenommen. Beim Fadenwurm Caenorhabditis elegans und bei der Fruchtfliege Drosophila melanogasterF. Capuano, M. Mulleder, R. Kok, H. J. Blom, M. Ralser: Cytosine DNA Methylation Is Found in Drosophila melanogaster but Absent in Saccharomyces cerevisiae, Schizosaccharomyces pombe, and Other Yeast Species. In: Analytical Chemistry. 86, 2014, S. 3697–3702. doi:10.1021/ac500447w. PMID 24640988. . ist beispielsweise N6-Methyladenin vorhanden, 5-Methylcytosin jedoch nicht oder kaum.
Luo u. a. (2015) stellen das Vorkommen von N6-Methyladenin und von 5-Methylcytosin bei Eukaryoten gegenüber und machten eine heterogene Verteilung der DNA-Methylierung sichtbar, die wenig an die Verwandtschaftsverhältnisse gekoppelt ist; dabei gibt es Arten, die sowohl N6-Methyladenin als auch 5-Methylcytosin aufweisen, und viele, bei denen nur eine dieser beiden modifizierten Basen in der DNA gefunden werden kann.Guan-Zheng Luo, Mario Andres Blanco, Eric Lieberman Greer, Chuan He, Yang Shi: DNA N6-methyladenine: a new epigenetic mark in eukaryotes? In: Nature Reviews Molecular Cell Biology. 16, 2015, S. 705, doi:10.1038/nrm4076. PMID 26507168. .
Einordnung als epigenetische Modifikation Die Eukaryoten haben einen Zellkern mit echten Chromosomen. Sie haben Histone, die zusammen mit DNA das Chromatin bilden. Die DNA-Methylierungen befinden sich in enger Wechselwirkung mit den Histon-Modifikationen und der Chromatin-Struktur (z. B. der Packungsdichte der Chromosomen). Das Zusammenwirken von DNA-Methylierungsmustern, Histon-Modifikationen und Chromatin-Struktur ist zentraler Bestandteil der Epigenetik. Die beiden anderen Domänen, die Bakterien und Archaeen sind Prokaryoten. Das heißt, sie besitzen keinen Zellkern und keine echten Chromosomen. Prokaryoten besitzen ein Zellkernäquivalent, das zwar DNA-Methylierungsmuster, aber keine Histone aufweist.
Die Epigenetik ist ein dynamischer Wissenschaftszweig, der auf teilweise vererbbare Phänomene bei Lebewesen mit Zellkern fokussiert ist (Eukaryoten), die nicht direkt an die DNA-Sequenz gekoppelt sind. Je nachdem, wie streng Epigenetik definiert wird, können die Methylierungen von DNA den epigenetischen Zuständen in Zellen (den Epigenomen) zugeordnet werden.
Ein wesentlicher Fakt, der dazu Anlass gibt, auch die DNA-Methylierungen bei Bakterien als epigenetische Veränderungen aufzufassen, ist die Entdeckung der Vererbung von Methylierungszuständen der DNA. Diese Vererbung wurde zuerst bei einem pathogenen Escherichia coli-Bakterium, das Nierenbeckenentzündungen verursachen kann, gefunden. In Kombination mit vielen weiteren Befunden bei Bakterien, die mit der Epigenetik bei Eukaryoten Übereinstimmungen zeigen, wird von bakterieller Epigenetik gesprochen.J. Casadesus, D. Low: Epigenetic gene regulation in the bacterial world. In: Microbiology and molecular biology reviews: MMBR. Band 70, Nummer 3, September 2006, S. 830–856, doi:10.1128/MMBR.00016-06. PMID 16959970, .D. Wion, J. Casadesus: N6-methyl-adenine: an epigenetic signal for DNA-protein interactions. In: Nature reviews. Microbiology. Band 4, Nummer 3, März 2006, S. 183–192, doi:10.1038/nrmicro1350. PMID 16489347, (Review).R. Kumar, D. N. Rao: Role of DNA methyltransferases in epigenetic regulation in bacteria. In: Epigenetics: Development and Disease. (= Subcellular Biochemistry. 61). 2013, S. 81–102. . PMID 23150247.J. Casadesus, D. A. Low: Programmed heterogeneity: epigenetic mechanisms in bacteria. In: J Biol Chem. 288(20), 17. Mai 2013, S. 13929–13935. doi:10.1074/jbc.R113.472274. PMID 23592777. . Allerdings gibt es wesentliche Unterschiede zwischen Bakterien und Eukaryoten (Zellkern und Histone, siehe oben), weshalb der Begriff der bakteriellen Epigenetik zurückhaltend gebraucht wird. Bei Forde u. a. (2015) wird beispielsweise der Ausdruck Methylom (für die Gesamtheit der DNA-Methylierung eines Genoms) verwendet, ohne das Methylom als Teil eines Epigenoms zu bezeichnen.B. M. Forde, M. D. Phan, J. A. Gawthorne, M. M. Ashcroft, M. Stanton-Cook, S. Sarkar, K. M. Peters, K. G. Chan, T. M. Chong, W. F. Yin, M. Upton, M. A. Schembri, S. A. Beatson: Lineage-Specific Methyltransferases Define the Methylome of the Globally Disseminated Escherichia coli ST131 Clone. In: mBio. Band 6, Nummer 6, November 2015, S. e01602–e01615, doi:10.1128/mBio.01602-15. PMID 26578678, .
Bei Ee et al. (2016) wird ebenfalls der Begriff des Methyloms bevorzugt, wenngleich die Analyse der Basen-Modifikationen als epigenomische Analyse bezeichnet wird.Robson Ee, Yan-Lue Lim, Wai-Fong Yin, Wah-Seng See-Too, Richard J. Roberts, Kok-Gan Chan: Novel Methyltransferase Recognition Motif Identified in Chania multitudinisentens RB-25T gen. nov., sp. nov. In: Frontiers in Microbiology. 7, 2016, doi:10.3389/fmicb.2016.01362.
Bisher war vor allem von Organismen mit Zellkern (Domäne Eukaryota) die Rede und den „echten“ Bakterien (Domäne Bacteria). Die Organismen der dritten Domäne, die Archaeen (Archaea, „altertümliche Bakterien“), werden zunehmend Gegenstand der Forschung, da moderne Sequenzierungs- und Analysemethoden die vergleichende Bestimmung von Methylomen erlauben. Blow u. a. (2016) konnten die Methylome von 230 Prokaryoten (Organismen ohne Zellkern) analysieren, neben 217 Bakterien (Bacteria) auch 13 Archaeen. DNA-Methylierungen wurden in 93 % der sequenzierten Organismen gefunden. Die Autoren untersuchten deren DNA-Methylierungs-Muster unter verschiedenen Aspekten und sprechen in der Zusammenschau ihrer Ergebnisse von einer „epigenomischen Landschaft der Prokaryoten“ – hinsichtlich der unterschiedlichen Bindungsspezifitäten von Methyltransferasen, Restriktionsendonuklease-Methyltransferase-Systeme, „verwaisten“ Methyltransferasen [ohne Reastriktionsendonuklease als Partner] und genregulatorische Aktivitäten. Dabei fiel auf, dass DNA-Methylierung ohne zugeordnete Restriktions-Systeme bei Prokaryoten weit verbreitet ist. Die Methylierungsmuster sind zudem evolutionär konserviert, was darauf hindeutet, dass die Methylierung bei der Genom-Regulation eine Rolle spielt.
DNA-Methylierung bei Bakterien mini|100px|N6-Methyladenin