ДНК-метилтрансферази (або ДНК-метилаза, англ. DNA methyltransferase, DNA MTase, DNMT) — група ферментів, що каталізують метилювання нуклеотидних залишків в складі ДНК. Завдяки роботі даних ферментів (приєднанню метильної (CH₃)-групи) в живій клітині певні ділянки ДНК отримують своєрідне мічення, що впливає на їх активність, функції, іноді — на просторову будову.

ДНК-метилтрансферазною активністю володіють декілька груп ферментів:

• цитозин(C₅) -ДНК-метилтрансферази (КФ 2.1.1.37) — ферменти, що відповідають за підтримку картини метилювання геному клітини;
• ферменти системи рестрикції-модифікації, що проявляють аденін(N₆)-ДНК-метилтрансферазну (КФ 2.1.1.72) і цитозин(N₄)-ДНК-метилтрансферазну (КФ 2.1.1.113) активності (які, по суті, не є основними для цих ферментів); прикладами можуть служити ферменти PvuII і TaqI.

Усі відомі ДНК-метилтрансферази використовують як донора метильної групи S-аденозил-метіонін.

Цитозин(C₅)-ДНК-метилтрансферази каталізують перенесення метильной групи від S-аденозил-метіоніну на залишок цитозину, що знаходиться в специфічній послідовності в дволанцюжковій ДНК, з утворенням 5-метилцитозину і S-аденозилгомоцистеїну. Ця реакція необоротна. Порівняння структури прокаріотичних (зазвичай бектеріальнох) і еукаріотичних ДНК-метилтрансфераз дозволяє віднести їх до одного класу ферментів. Всі ці ферменти є мономірними білками, що містять консервативні гомологічні ділянки (мотиви послідовності), які відповідають за ферментативні функції. У більшості цитозин(C₅)-ДНК-метилтрансфераз налічують до 10-ти таких ділянок. Серед них розрізняють 4 помірноконсервативних мотиви (II, III, V, VII), які можуть бути відсутніми у деяких ферментів, і 6 висококонсервативних мотивів (I, IV, VI, VIII, IX, X). Між ділянками VIII і IX розташований домен TRD (target-recognizing domen, мішень-розпізнаючий домен), довжина і амінокислотний склад якого варіабельні.

Еукаріотичні ДНК-метилтрансферази метилюють цитозин в молекулах ДНК, що не містять митильної горпи через те, що утворюються шляхом напівконсервативної репликації, і містять одну метильовану і одну неметіильовану нитку (так зване підтримуюче метилювання). Ділянками розпізнавання є CpG і CpNpG. ДНК-метилтрансферази еукаріотів здатні, хоч і з меншою ефективністю, проводити метилювання ДНК de novo.

У ссавців виявлені чотири активних ДНК-метилтрансферази: DNMT1, DNMT2 (TRDMT1), DNMT3a і DNMT3b. Також виявлений білок, структурно схожий з родиною DNMT3, але який не проявляє метилтрансферазної активності — DNMT3L (DNMT3-like).

ДНК-метилтрансферази родини DNMT1 миші є білками з молекулярною масою близько 190 кДа, що містить 1620 амінокислотних залишків. Основна активність цього ферменту полягає в метилюванні напівметильованих ділянок CpG. Молекула ДНК-метилтрансферази DNMT1 значно більше прокаріотичного ферменту за рахунок наявності N-кінцевої регуляторної ділянки, що становить ²/₃, від всієї довжини поліпептидного ланцюга. Саме ця ділянка відповідає за надання «переваги» ферментом напівметильованим ділянкам перед неметильованими. Регуляторна N-кінцева ділянка сполучена з каталітичним C-кінцевим при допомозі Gly-Lys-повторів. Вважається, що ген dnmt1 утворився шляхом злиття гену прокаріотичної ДНК-метилтрансферази з одним або двома генами ДНК-зв'язуючих білків.

N-кінцевий домен містить різні специфічні послідовності, такі як сигнал ядерної локалізації (NLS, nuclear localization signal), цистєїн-багатий Zn-зв'язуючий мотив і спеціальна послідовність, що направляє метилтрансферазу до області реплікації ДНК (TRF, protein targeting to DNA replication foci). Фермент локалізується в областях реплікації ДНК протягом S-фази клітинного циклу, а після її завершення діфундірує до нуклеоплазми. Також N-кінцевий домен ферменту DNMT1 містить послідовність, гомологичну репресору транскрипції HRX, за допомогою якої ДНК-метилтрансфераза in vivo здатна асоціюватися з деацетилазою гістонів.

Людський фермент DNMT1 принципово не відрізняється від мишиного.

Фермент DNMT1 має декілька ізоформ: соматичний DNMT1, проміжний варіант (DNMT1b) і ізоформа, характерна для ооцитів (DNMT1o). DNMT1o синтезується і накопичується в цитоплазмі ооцитів, а потім, під час раннього ембріонального розвитку, транспортується до клітинного ядра (соматичний же DNMT1 постійно локалізується в ядрі).

Фермент може проявляти аномальну метилюючу активність, зокрема, метилювання CpG-пари в області петлі одноланцбжкової ДНК, що вже містить метильовані ділянки CpG.

Інактівация мишиного ферменту DNMT1 приводить до значного (до 70 %) зменшення рівня метилювання геному і до загибелі ембріонів, що розвиваються, на 10-11 день розвитку. Рівень, що залишився, в 30 % і здібність стовбурових клітин до метилювання ретровірусної ДНК de novo забезпечуються іншими ДНК-метилтрансферазами.

ДНК-метилтрансфераза DNMT2 складається з 415-ти амінокислотних залишків і не містить N-кінцевого регуляторного домену. Інактівація гена dnmt2 у стовбурових клітинах мишей не впливає на їхні здібності до підтримки картини метилювання геному і до метилювання de novo. Амінокислотна послідовність ферменту схожа з послідовностями коротких ДНК-метилтрансфераз рослин, грибів і прокаріотів. У 2006 році Goll et al. показали, що фермент проводить метилювання тРНК^Asp по цитозину-38 як in vivo, так і in vitro, і не метилює ДНК. Щоб відобразити функцію ферменту в назві, було вирішено перейменувати його в TRDMT1 (tRNA aspartic acid methyltransferase 1, метілтрансфераза тРНК, що транспортує аспарагінову кислоту).

ДНК-метилтрансферази DNMT3a і DNMT3b проводять метилювання навівметильованих і неметильованих ділянок CpG з однаковою швидкістю. Людські DNMT3a і DNMT3b містять 908 і 859 амінокислотних залишків, відповідно; ген dnmt3b може кодувати і менші поліпептиди унаслідок альтернативного сплайсингу. Гени dnmt3a і dnmt3b активно експресуються в недиференційованих ембріональних стовбурових клітинах, тоді як в диференційованих клітинах рівень їх експресії дуже низький. Інактівация цих генів у мишей приводить до загибелі особин, в середньому, до чотиритижневого віку.

DNMT3a активніше метилює ділянки CpG, ніж CPA, CPT, і CPC. DNMT3a метилює ділянки CpG набагато повільніші, ніж DNMT1, але швидше, ніж DNMT3b. Не зважаючи на те, що функції ферментів DNMT3a і DNMT3b багато в чому перекриваються, є також і відмінності. Так, DNMT3b відповідає за метилювання повторів сателітів в області лінкера, а мутація гена dnmt3b у людини приводить до ICF-синдрому (immunodeficiency cenromeric instability, імунодефіцитна нестабільність центромер, аномалії обличчя). ICF-синдром — це рідкісне аутосомне рецесивне генетичне захворювання, яке характеризується дефектами імунної системи і порушенням нормальної будови обличчя. Синдром пов'язаний з нестабільністю центромерного гетерохромаину. При цьому основні компоненти гетерохроматіну, ділянки сателітів DNA II і DNA III, виявляються недостатньо метильованими.

DNMT3L містить DNA-метилтрансферазний мотив і є необхідною для ефекту материнського геномного імпринтингу, залишаючись при цьому каталітично неактивною (унаслідок відсутності деяких ключових ділянок, необхідних для здійснення каталізу). DNMT3L експресується при гаметогенезі, коли і відбувається імпринтінг геному. Відсутність DNMT3L приводить до біалельної експресії генів, для яких в нормі не характерна експресія материнського алеля. DNMT3L взаємодіє з DNMT3a і DNMT3b у клітинному ядрі. Хоча DNMT3L нездатна проводити метилювання, білок може брати участь в репресії транскрипції (у асоціації з гістоновою деацетілазою).

Ця стаття не містить посилань на джерела. Ви можете допомогти поліпшити цю статтю, додавши посилання на надійні (авторитетні) джерела. Матеріал без джерел може бути піддано сумніву та вилучено. (липень 2013)

Це незавершена стаття про білки. Ви можете допомогти проєкту, виправивши або дописавши її.