Eukaryotic Cytosine Methyltransferases

Yong-Gun Lee and I decided to write introduction and method of paper which we are planning. I don't want to fit introduction shortly after finishing research for publishing the paper. that's not the right order of work. Though this process, we try to make up for lack of story line.

This paper is quite long, but it's really good to understand a general concept of methyltransferase. Actually it's true that I deferred a study on DNMT families. Through this time, I will organize these things.

This paper was published in Annu. Rev. Biochem. 2005.

Introduction
     Cytosine Methylation in Host Defense and Genome Stability
     Cytosine Methylation and Gene Regulation
     Conservation Between Bacterial and Eukaryotic Cytosine Methyltransferase
The cytosine methyltransferase families of eukaryotes

1.Dnmt1 : 처음으로 purified & cloned 된 DNA methyltransferase. Cedar가 hemimethylaed DNA가 unmethyl보다 빨리 methylation된다는 것을 발견. Dnmt1은 hemimethylated DNA 의 methylation에 preference 하나 de novo methylation 기능도 있는것처럼 이야기를 한다(어떤 factor에 의해 inhibit 되어 있을지도 모르지만 여튼 methylation pattern이 유지 된다는 의미에서 de novo methylation 이 block을 당해야 해서). 처음 murine erythroleukemia cells의 Dnmt1의 cDNA를 찾았고, 이것은 1620개의 AA(1100 N-termi + GKGK.. + 500 C-termi)로 되어 있고 그중 C-terminal 쪽의 ~500AA가 bacterial restriction methyltransferase M.Ddel과 유사함을 알아냄.
N-termi를 보면 진화 과정에서 functional 한 domain이 늘어나는것을 볼 수있다.N-termi에 핵안으로 Dnmt1을 import 시키는 시퀀스(NLS domain)와 replication foci와 결합하는 시퀀스가 있다. 원래는 G0기에는 Dnmt1은 degradation되나 두번째 start codon에서 부터 생긴 짧은 Dnmt1은 그렇지 않으며 이 짧은 것만 가지고 있는 mouse는 생존가능.
mouse의 oocyte에는 Dnmt1의 짧은 폼만 있으며 이를 Dnmt1o 라고 한다(이와 같이 truncation되어있는것은 oocyte에서의 Dnmt1의 많은축적과 연관되어 보임).
Dnmt1의 functional domain 중 BAH(bromo-adjacent homology) domain은 protein-protein interaction module로 chromatin regulation에 속하는 protein에서도 발견된다. cysteine-rich region은 zinc ions과 결합하는데 기능은 안알려져 있지만 모든 mammalian의 methyltransferase와 MBD(methyl-binding domain) protein와 CpG binding protein에서 발견. GK(glycine, lysine) rich region은 N-termi와 C-termi를 연결해주는데 histone H4의 N-termi 와 유사하고 posttranslational modification의 역할을 하는게 아닐까 추측된다.
biological role of Dnmt1 :
loss of function allleles of Dnmt1의 결과 1. genome이 demethlation되어있고 2. homozygous embryos에서는 대부분의 imprinted gene의 biallelic expression이 나타나고 3.Xist 유전자의 demethylation결과 activation되서 모든 X chromosome 이 inactivation되고 4.exogenous marker gene의 mutation rate 올라가며 5.ES cells이 undifferentiated 상태에서는 정상적으로 크다가 differentiative 상태로 유도되면 apoptosis로 인해 죽게 되고 6.마지막으로 LTR transposons의 발현이 많아진다.
Heterozygosity for mutations in Dnmt1 결과 : 이것이 실제 측정가능한 demethylation에  영향을 미치는 지는 정확히 밝혀지지 않았지만 1.Dnmt1을 wild type의 10%정도 발현하게 했더니 생존 가능하나 성장의 제한이 생기며 lymphoma에 걸리 확률이 크게 높아지며 2. Dnmt1의 overexpression의 경우 imprinted loci에 unmethylated allele이 de novo methylation되는 현상이 나타났다(이는 Dnmt1이 methylation maintenance 역할을 한다는 것에 반하는 것).
DNMT1은 human colon cancer에서 200배 가까이 많이 발현된다는 것이 보도되어 있다(어떤 랩에서는 human colon cancer에서 다른 양상을 보이기도 한다). 일반적으로 tumor에서 m5C가 적어지는 것을 발견하는데 이는 Dnmt1의 발현이 많아지는 것과 모순되는 결과다.또한 아직까지 Dnmt1 유전자의 amplication이나 mutation으로 인한 cancer의 보고가 없기때문에 이것이 꼭 oncogene이라는 증거는 없다.
2. MET1 of A.thaliana : 처음 plant의 DNA methyltransferase는 A.thaliana에서 발견되었으며 이는 Dnmt1과 유사하였고 이름을 MET1이라 하였다. 시퀀스는 Dnmt1와 거의 유사(GK rich region이 살짝다르지만 C-termi 는 50% identity, N-termi 는 24%), BAH domain이 존재, cysteine-rich region은 없다. invitro 상에서는 MET1의 methylation 기능이 보고되지 않았지만 in vivo 상에서 homozygous mutation이 demethylation되고 phenotypic abnormalities가 나타난다. MET1의 mutant는 CpG 에 국한되어 demethylation이 나타나고 오히려 CpNpG의 methylation은 증가함을 보인다. 또한 MET1이 de novo methylation에 관여한다는 논문이 있다. homozygous mutation에 의한 demethylation은 식물에서는 후손의 heterozygous mutant나 wild-type segregants에 유전된다. 이는 각 세대마다 methylation pattern이 reset되는 mammalian과 차이를 나타낸다. 이는 genome을 알더라도 그 genome의 history를 알지 못하면 phenotype을 알 수 없다는 이야기가 될수 있다.
3. The Dnmt3 Family : 야기mammalian genome은 Dnmt3 family에 속하는 Dnmt3A와 Dnmt3B를 encoding한다. 또한 세번째 homologue인 Dnmt3L도 있는데 이는 methyltransferase activity는 없고 germ line에서의 regulatory factor로의 역할을 한다. 식물(A.thaliana)에서는 Dnmt3 family인 DRM(domains rearranged methyltransferase) family 는 methyltransferase의 motif가 circular permutation 되어 있다. 또한 Apis mellifera(꿀벌)에서도 Dnmt3가 발견됨.
-DNMT3A AND DNMT3B IN MAMMALS : Dnmt3A와 Dnmt4B의 시퀀스는 거의 유사하고 PWWP domain, cysteine-rich zyinc-binding region, MBDs를 포함하고 있다. hemimethylated 와 unmethylated 를 같은 rate로 methylation 하며 거의 CpG를 methylation시킨다. 그러나Dnmt3A는 CpA도 methylation 시킨다고 알려져 있다. adult cell에서 tissue마다 양이 다르게 발현되나 기본적으로 Dnmt1보다 발현양이 적다.


-DNMT3L :

-DNMT3 FAMILY MEMBERS IN INVERTEBRATES :
-THE DRM FAMILY : RNA-GUIDED METHYLTRASFERASES IN PLANTS :


4.DIM-2 and RID in N.crassa
5.Chromomethylases
6.Dnmt2
Methylated DNA binding proteins
regulatory inputs that control sequence-specific DNA methylation
     interatcion of Repeated seqeunces
     regulation of cytosine methylation by histone H3 Methylation
     swi2/snf2 helicase homologues and cytosine methylation
     RNA directed DNA methylation
conclusion