5-Methylcytosin

5-Methylcytosin gehört zu den Pyrimidinbasen. Seine Summenformel lautet C₅H₇N₃O. Verglichen mit Cytosin trägt es eine zusätzliche Methylgruppe an Position 5 des Pyrimidinrings.^[1] Diese Modifikation verändert die reguläre Basenpaarung mit Guanin nicht. Die freie Base ist von den entsprechenden Nukleosiden 5-Methylcytidin und 5-Methyl-2'-desoxycytidin zu unterscheiden.

In der DNA von Säugetieren liegt 5-Methylcytosin überwiegend innerhalb von CpG-Dinukleotiden vor. Eine Methylierung außerhalb dieses Sequenzkontexts findet sich unter anderem in embryonalen Stammzellen und Neuronen.

Auch verschiedene RNA-Arten enthalten 5-Methylcytosin:

• Transfer-RNA (tRNA)
• Ribosomale RNA (rRNA)
• Messenger-RNA (mRNA)

Vorkommen und Funktion hängen vom RNA-Typ und von der jeweiligen Position der Modifikation ab.^[2]

Die Bildung erfolgt enzymatisch durch Übertragung einer Methylgruppe von S-Adenosylmethionin auf Cytosinreste innerhalb der Nukleinsäure. Dabei entsteht S-Adenosylhomocystein.

Die beteiligten Enzyme unterscheiden sich nach Substrat und Funktion:

DNMT1 methyliert bevorzugt die neu synthetisierte DNA an hemimethylierten CpG-Stellen. Dadurch können Methylierungsmuster bei Zellteilungen weitergegeben werden.^[3][2]

5-Methylcytosin beeinflusst die Bindung regulatorischer Proteine an die DNA und die Organisation des Chromatins. DNA-Methylierung ist unter anderem beteiligt an:

• Regulation der Genexpression
• genomischem Imprinting
• X-Inaktivierung
• Unterdrückung transponierbarer Elemente
• Stabilisierung zelltypspezifischer Genexpressionsmuster

Die Methylierung von CpG-Inseln in Promotoren ist häufig mit einer verminderten Transkription verbunden. Die Wirkung hängt jedoch von der Position im Genom und vom Zelltyp ab. Methylierung innerhalb eines Genkörpers ist nicht grundsätzlich mit einer Inaktivierung des Gens gleichzusetzen.^[3]

In RNA kann 5-Methylcytosin die Stabilität, Prozessierung und Funktion des jeweiligen Moleküls beeinflussen. Beschrieben sind unter anderem Effekte auf die tRNA-Stabilität, die Ribosomenfunktion sowie den Export und die Stabilität bestimmter mRNAs.^[2]

In der DNA kann 5-Methylcytosin durch TET-Proteine schrittweise oxidiert werden:

5-Methylcytosin → 5-Hydroxymethylcytosin → 5-Formylcytosin → 5-Carboxylcytosin

5-Formylcytosin und 5-Carboxylcytosin können durch die Thymin-DNA-Glykosylase entfernt und im Rahmen der Basenexzisionsreparatur durch unmodifiziertes Cytosin ersetzt werden. Dieser Vorgang ermöglicht eine aktive DNA-Demethylierung.

Eine passive Demethylierung erfolgt dagegen über Zellteilungen, wenn die Erhaltungsmethylierung ausbleibt oder unvollständig ist.^[4]

Durch spontane hydrolytische Desaminierung von 5-Methylcytosin entsteht Thymin. Die resultierende T:G-Fehlpaarung kann bei ausbleibender Reparatur zu einer C→T-Transition führen. Methylierte CpG-Stellen sind daher besonders mutationsanfällig. Dieser Mechanismus trägt auch zu Mutationsmustern in Tumorgenomen bei.^[5]

Ein verbreitetes Verfahren zur Untersuchung der DNA-Methylierung ist die Bisulfit-Sequenzierung. Dabei wird unmodifiziertes Cytosin in Uracil umgewandelt und nach der Amplifikation als Thymin gelesen. 5-Methylcytosin bleibt unter den üblichen Reaktionsbedingungen weitgehend erhalten.

Die klassische Bisulfitsequenzierung unterscheidet nicht zwischen 5-Methylcytosin und 5-Hydroxymethylcytosin. Für eine getrennte Bestimmung sind zusätzliche Verfahren erforderlich, beispielsweise die oxidative Bisulfitsequenzierung in Kombination mit einer konventionellen Bisulfitmessung.^[6]

Pharmakologisch wird 5-Methylcytosin in der Nukleosid-modifizierten mRNA (modRNA) genutzt.