Die DNA-Methylierung ist der klassische epigenetische Mechanismus, bei dem eine Methylgruppe an eine stickstoffhaltige Base angehängt wird. Obwohl sowohl Cytosin als auch Adenin Ziel sein können, ist die Cytosinmethylierung, bei der eine Methylgruppe an den fünften Kohlenstoff des Cytosins bindet und so 5-Methylcytosin (5mC) bildet, in Säugetiergenomen weit verbreitet (Ehrlich M et al. 1981). Die DNA-Methylierung tritt am häufigsten an symmetrischen CpG-Dinukleotiden auf. Etwa 70–80 % der CpG-Stellen im Säugetiergenom sind in den meisten somatischen Geweben methyliert (Doskocil J et al. 1962).
DNA-Methylierung
Definition
Allgemeine Information
Bei der DNA-Methylierung kommt es zu einer chemischen Modifikation der DNA, bei der kleine Methylgruppen (-CH₃) an bestimmte Basen, meist an Cytosinreste innerhalb sogenannter CpG-Dinukleotide, angeheftet werden. Die DNA-Methylierung legt fest, wann und wo Gene aktiv sind, ohne die DNA-Sequenz selbst zu verändern. Hierdurch werden Entwicklung, Funktion und Anpassungsfähigkeit von Zellen reguliert. Eine abnormale DNA-Methylierung kann auf Krankheitszustände, einschließlich Krebs, hinweisen.
Das Grundprinzip der DNA-Methylierung: Ort der Modifikation ist v.a. Cytosin, das vor einem Guanin steht (CpG-Stellen). DNA-Methyltransferasen (DNMTs) übertragen die Methylgruppe von S-Adenosylmethionin auf das Cytosin.
Auswirkungen auf die Genaktivität: Die Basenabfolge der DNA ändert sich bei diesem Vorgang nicht, jedoch wirken die Methylgruppen wie ein Schalterprinzip. Stark methylierte Promotorbereiche werden von Transkriptionsfaktoren schlechter erkannt, sodass das betreffende Gen schwerer abgelesen wird (Transkriptionsrepression).
Biologische Funktionen / Zweck: Genregulation und Zelldifferenzierung: Während der Entwicklung werden bestimmte Gene gezielt an- oder abgeschaltet.
Prägung (Imprinting): Bei einigen Genen ist nur die mütterliche oder väterliche Kopie aktiv, gesteuert durch Methylierung.
X-Chromosomen-Inaktivierung: Bei weiblichen Säugetieren wird eines der beiden X-Chromosomen weitgehend stillgelegt.
Schutz des Genoms: Methylierung unterdrückt Transposons („springende Gene“) und trägt zur genomischen Stabilität bei.
Dynamik und Reversibilität: Methylierungsmuster können sich durch aktive Demethylierung (z. B. TET-Enzyme) oder während der Replikation ändern. Umweltfaktoren wie Ernährung, Stress oder Toxine können diese Muster beeinflussen („epigenetische Prägung“).