БИОХИМИЯ, 2019, том 84, вып. 8, с. 1076 - 1098

УДК 577.112.7

РНК (ЦИТОЗИН С5) МЕТИЛТРАНСФЕРАЗЫ

Обзор

С.А. Кузнецова¹*#, К.С. Петрюков²*#, Ф.И. Плетнев^2,3,4,

П.В. Сергиев^1,2,3,5, О.А. Донцова^2,3,4

¹ Институт функциональной геномики, Московский государственный

университет им. М.В. Ломоносова, 119991 Москва, Россия;

электронная почта: svetlana@belozersky.msu.ru

² Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,

химический факультет, 119991 Москва, Россия;

электронная почта: kirill(petriukov@mail.ru

³ Сколковский институт науки и технологий,

121205 Московская область, Сколково

⁴ Институт биоорганической химии, 117997 Москва, Россия

⁵ НМИЦ онкологии им. И.И. Петрова, 197758 Санкт(Петербург, Россия

Поступила в редакцию 05.03.2019

После доработки 16.04.2019

Принята к публикации 16.04.2019

Обобщены сведения о результатах и достижениях в области исследований про и эукариотических РНК

(цитозин С5) метилтрансфераз. Описываются их структуры, внутриклеточная локализация, РНК мишени

и механизмы каталитического действия, а также функциональная роль метилированных остатков цитозина

в РНК и функции РНК (цитозин С5) метилтрансфераз в клетке, не связанные с метилированием. Особое

внимание уделено анализу сходства и различий в структуре и механизме действия РНК и ДНК метилтранс

фераз. Приводятся данные о связи мутаций в генах РНК (цитозин С5) метилтрансфераз с заболеваниями

человека.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: посттранскрипционная модификация РНК, РНК (цитозин С5) метилтрансферазы,

5 метилцитозин, метилирование РНК.

DOI: 10.1134/S0320972519080025

Посттранскрипционная модификация РНК

изучающей влияние различных модификаций

является фундаментальным клеточным процес

РНК на регуляцию различных функций орга

сом, занимающим важнейшее место в жизнеде

низма, был введен специальный термин «эпи

ятельности живых организмов. К настоящему

транскриптомика».

времени описано более 160 модификаций РНК,

Модификации в РНК затрагивают как остат

и их количество постоянно увеличивается [1].

ки рибозы, так и гетероциклические основания.

Они присутствуют во всех типах РНК, но наибо

Одним из распространенных модифицирован

лее часто встречаются в молекулах тРНК и

ных оснований РНК является 5 метилцитозин

рРНК. В последние годы значительное внима

(m⁵C). В то время как в ДНК функциональная

ние уделяется изучению модификаций и их

роль m⁵C детально изучена, его роль в РНК ясна

функциональной роли в мРНК, поскольку они,

не до конца. В бактериях 5 метилцитозин со

подобно модификациям гистонов и ДНК, опре

держится исключительно в рРНК, в археях и эу

деляющим структуру хроматина, обуславливают

кариотах он встречается также в тРНК, мРНК и

еще один уровень регуляции экспрессии генов.

различных некодирующих РНК. Несмотря на

Посттранскрипционная модификация РНК, не

небольшой размер и гидрофобную природу, ме

изменяя последовательности транскрипта, мо

тильная группа в 5 ом положении цитозина мо

жет принципиальным образом изменять его

жет кардинальным образом изменять конфор

свойства и функциональную роль. Для соответ

мацию всей молекулы [2].

ствующей области молекулярной биологии,

Образование 5 метилцитозина в РНК про

исходит в результате метилирования цитозина

# Авторы внесли равный вклад в работу.

особой группой ферментов, названных РНК

* Адресат для корреспонденции.

(цитозин C5) метилтрансферазами (РНК C5

1076

РНК С5 МЕТИЛТРАНСФЕРАЗЫ

1077

метилтрансферазами). Аналогичные ферменты,

го относится бисульфитное секвенирование

метилирующие цитозин в молекулах ДНК

РНК [6], основанное на различной реакцион

(ДНК (цитозин C5) метилтрансферазы), в нас

ной способности метилированной и неметили

тоящее время достаточно хорошо изучены. Ус

рованной форм цитозина в реакции дезамини

тановлена ключевая роль метилирования ДНК в

рования, а также иммунопреципитация РНК с

обеспечении стабильности и целостности гено

использованием антител на m⁵C [7]. Кроме того,

ма, регуляции онтогенеза и клеточной диффе

ряд подходов позволяет идентифицировать ми

ренцировки, а также в подавлении экспрессии

шени РНК (цитозин С5) метилтрансфераз, ин

чужеродных последовательностей и мобильных

дуцируя образование ковалентных комплексов

элементов. Показано, что нарушение профиля

соответствующих метилтрансфераз с их РНК

метилирования ДНК приводит к хромосомным

мишенями с последующим выделением ковалент

аномалиям, являющимся основными причина

ного соединения и секвенированием совыде

ми старения и различных патологий, включая

лившихся РНК [8, 9].

комплексные заболевания, болезни геномного

В бактериях 5 метилцитозин содержится

импринтинга, нейродегенеративные расстрой

исключительно в рРНК, в то время как в археях

ства и онкологические заболевания [3].

и эукариотах данная модификация встречается

В отличие от ДНК (цитозин C5) метилтранс

также в тРНК, мРНК и различных некодирую

фераз, ферменты РНК (цитозин С5) метилтранс

щих РНК. В рРНК и тРНК 5 метилцитозин, по

феразы гораздо менее изучены [4]. Известно,

добно другим модификациям, участвует в фор

что РНК C5 метилтрансферазы являются кон

мировании третичной структуры РНК, необхо

сервативными как среди про , так и эукариоти

димой для точного протекания процесса транс

ческих организмов и проявляют сходство с

ляции. Следует отметить, что, несмотря на не

РНК (урацил С5) и ДНК (цитозин C5) метил

большой размер и гидрофобную природу, ме

трансферазами. Сведения об эукариотических

тильная группа в 5 положении цитозина может

РНК (цитозин С5) метилтрансферазах, меха

кардинальным образом изменять конформацию

низме их действия и функциях в клетке приво

всей молекулы, как это было продемонстриро

дятся в недавно опубликованой обзорной статье

вано на примере тРНК [2].

Bohnsack et al. [5].

Наличие 5 метилцитозина в эукариотиче

В данном обзоре обобщены результаты и

ских мРНК было установлено только с развити

достижения в области исследования как прока

ем широкомасштабных методов определения

риотических, так и эукариотических РНК (ци

данной модификации. Согласно последним

тозин С5) метилтрансфераз. Описаны их струк

данным, в транскриптоме клетки до 10 000 ос

туры, функции, внутриклеточная локализация,

нований цитозина в составе мРНК подвергают

РНК мишени и механизмы каталитического

ся метилированию по 5 положению [10]. Лока

действия. Особое внимание уделено анализу

лизация m⁵C в транскрипте чаще всего не явля

сходства и различий в структуре и механизме

ется случайной: наиболее часто он расположен в

действия РНК и ДНК метилтрансфераз. При

области стартового кодона. Эксперименты in

водятся данные о связи мутаций в генах РНК

vitro показали, что наличие m⁵C вблизи старто

(цитозин С5) метилтрансфераз с заболевания

вого кодона приводит к уменьшению эффектив

ми человека.

ности трансляции, в то время как наличие m¹A

ассоциируют с увеличением эффективности

трансляции соответствующих мРНК [11, 12].

5 МЕТИЛЦИТОЗИН В РНК.

Интересно отметить, что существует большое

РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ, ФУНКЦИИ

количество мРНК, которые в различных тканях

И МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ

имеют близкий уровень экспрессии, но различ

ную картину метилирования. Так, это было про

Одной из распространенных модификаций

демонстрировано для ряда транскриптов из

гетероциклических оснований в РНК является

культуры эмбриональных стволовых клеток и

5 метилцитозин (m⁵C). В то время как в ДНК

ткани мозга, как образцов плюрипотентных и

функциональная роль m⁵C детально изучена,

высокодифференцированных клеток соответ

его роль в РНК ясна не до конца. Существенный

ственно [13]. При этом тканеспецифичному ме

прогресс в понимании распределения и функ

тилированию подвергаются транскрипты генов,

ций 5 метилцитозина в РНК произошел после

имеющих отношение к регуляции клеточного

разработки ряда широкомасштабных методов

цикла, биогенезу мРНК и структуре хроматина в

сайт специфического определения локализа

эмбриональных стволовых клетках, а также к

ции данного минорного основания в тран

внутриклеточному транспорту и развитию нерв

скриптоме клетки. К таким методам прежде все

ной системы в мозге. Это свидетельствует в

БИОХИМИЯ том 84 вып. 8 2019

1078

КУЗНЕЦОВА и др.

пользу специфической регуляторной роли ме

Первой детально охарактеризованной РНК

тилирования мРНК, точное определение кото

C5 метилтрансферазой, для которой был изучен

рой остается пока неизвестным.

механизм каталитического действия и получена

Кроме того, 5 метилцитозин встречается и в

кристаллическая структура, была бактериальная

некодирующих РНК. Так, его присутствие опи

метилтрансфераза RsmB из E. coli. Впослед

сано для широко известных некодирующих

ствии ее первичная и пространственная струк

РНК HOTAIR и XIST, причем в последней нали

тура стали основой для отнесения более 55 ее го

чие m⁵C изменяет ее способность связываться с

мологов к гипотетическим РНК C5 метилтранс

комплексом PRC2, основная функция которого

феразам, для многих из которых такая актив

заключается в репрессии транскрипции путем

ность была впоследствии доказана. Общей чер

метилирования гистонов [14]. Для обеих упомя

той данных метилтрансфераз является наличие

нутых некодирующих РНК взаимодействие с

метилтрансферазного домена, в то время как N

комплексом PRC2 является основным способом

и C концевые участки могут быть различными

их функционирования в процессе регуляции

[16].

структуры хроматина. Новым шагом в понима

Каталитический механизм действия РНК

нии биологической функции 5 метилцитозина

C5 метилтрансфераз приведен на рис. 1. В про

стало открытие белка регулятора ядерно ци

цессе реакции метилирования фермент образует

топлазматического транспорта ALYREF, специ

ковалентный коньюгат с РНК, в котором оста

фически узнающего m⁵C в составе молекул РНК

ток цистеина каталитического центра связан с

и способствующего их транспорту в цитоплазму

атомом С6 цитозина мишени. В составе такого

[15]. Таким образом, ядерно цитоплазматиче

коньюгата нуклеофильность пятого атома угле

ский транспорт становится еще одним процес

рода гетероциклического основания существен

сом, на регуляцию которого оказывает влияние

но повышается и как следствие происходит его

метилирование цитозина в составе РНК.

взаимодействие с метильной группой S адено

Образование 5 метилцитозина в РНК проис

зил L метионина (SAM), выступающего в каче

ходит в результате метилирования цитозина осо

стве кофактора, донора метильной группы, с об

бой группой ферментов, названных РНК (цито

разованием переходного интермедиата (рис. 1,

зин C5) метилтрансферазами (РНК C5 метил

структуры 2 и 3). На следующем этапе метили

трансферазами). РНК C5 метилтрансферазы

рования в результате реакции β элиминирова

являются консервативными как среди прокарио

ния происходит депротонирование пятого ато

тических, так и среди эукариотических организ

ма углерода интермедиата и восстановление

мов и часто проявляют сходство с РНК (урацил

двойной связи С5 С6 (образование 5 метилци

С5) и ДНК (цитозин C5) метилтрансферазами.

тозина) с регенерацией остатка каталитического

Рис. 1. Каталитический механизм РНК (цитозин С5) метилтрансфераз. а - Двухцистеиновый механизм, характерный

для белков семейства NOL1/Nop2/Sun; б - одноцистеиновый механизм, характерный для ДНК (цитозин С5) метилтранс

фераз и РНК (цитозин С5) метилтрансферазы DNMT2. Обозначены аминокислоты мотивов IV и VI, участвующие в ка

тализе. 1 - Нуклеофильная атака каталитического цистеина на С6 атом цитозина, 2 - перенос метильной группы кофак

тора на атом С₅ цитозина, 3 - реакция β элиминирования, 4 - образование 5 метилцитозина

БИОХИМИЯ том 84 вып. 8 2019

РНК С5 МЕТИЛТРАНСФЕРАЗЫ

1079

цистеина (рис. 1, структуры 3 и 4). В пользу та

роциклического основания и каталитического

кого механизма свидетельствует то, что в случае

остатка цистеина. Таким образом, РНК (цито

замены в РНК остатка цитозина на 5 фторцито

зин C5) метилтрансферазы занимают промежу

зин процесс метилирования завершается на ста

точное положение между РНК (урацил С5) и

дии образования стабильного ковалентного

ДНК (цитозин C5) метилтрансферазами. Сог

коньюгата РНК с белком [17].

ласно одной из теорий, РНК (цитозин C5) ме

Общей чертой РНК и ДНК (цитозин С5)

тилтрансферазы произошли от РНК (урацил

метилтрансфераз является наличие в их струк

С5) метилтрансфераз, при этом цистеин в мо

туре до десяти эволюционно консервативных

тиве VI сохранил свою роль каталитического

участков (мотивов) (I-X), которые могут распо

нуклеофила, а в мотиве IV появился цистеин,

лагаться в различном порядке [18]. Так, мотивы

выполняющий функции основания на заверша

I-III и V отвечают за связывание кофактора

ющей стадии катализа. Последний, в свою оче

S аденозил L метионина с помощью гидрофоб

редь, стал нуклеофилом в ДНК (цитозин C5)

ных и отрицательно заряженных аминокислот

метилтрансферазах, а цистеин в мотиве VI поте

ных остатков, мотив VIII способствует экспони

рял свою каталитическую функцию [18].

рованию метилируемого нуклеотида. Мотивы

IV и VI белков семейства NOL1/Nop2/Sun со

держат остатки цистеина, участвующие в ката

БАКТЕРИАЛЬНЫЕ

лизе, вследствие чего механизм их действия час

РНК (ЦИТОЗИН С5)

то называют двухцистеиновым (рис. 1, а). Так, в

МЕТИЛТРАНСФЕРАЗЫ

мотиве VI находится цистеин, участвующий в

образовании коньюгата с цитозином мишенью

Как уже упоминалось ранее, у бактерий

на первой стадии катализа, а последняя стадия

5 метилцитозин встречается только в рРНК.

катализа осуществляется при непосредственном

Ниже будут рассмотрены некоторые структур

участии цистеина из IV мотива. Участие в ката

ные и функциональные особенности РНК (ци

лизе остатков цистеинов из двух структурных

тозин C5) метилтрансфераз из Escherichia coli

мотивов РНК метилтрансфераз было неодно

как наиболее изученного модельного организма.

кратно подтверждено сайт направленным мута

RsmB. Метилтрансфераза RsmB/Fmu - пер

генезом. Так, замена цистеина в мотиве VI на

вая детально охарактеризованная РНК C5 ме

аланин приводила к потере ферментом катали

тилтрансфераза, отвечающая за образование

тической активности, в то время как мутации

5 метилцитозина m⁵C967 в 16S рРНК E. coli [20].

цистеина в мотиве IV приводили к тому, что

Непосредственно рядом с m⁵C967 в 16S рРНК

процесс метилирования останавливался на ста

располагается метилированный по 2 положе

дии образования стабильного ковалентного

нию гуанин m²G966, за образование которого

коньюгата белка с РНК мишенью [18].

отвечает метилтрансфераза RsmD [21]. Инте

Основное различие между РНК и ДНК ме

ресно отметить, что метилирование C967 прохо

тилтрансферазами состоит в том, что в ДНК ме

дит исключительно в 16S рРНК, находящейся в

тилтрансферазах роль VI мотива играет после

свободном состоянии в отсутствии связанных с

довательность Glu Asn Val, не содержащая цис

ней рибосомных белков, в то время как метили

теина (рис. 1, б). В этом случае основанием, за

рование соседнего гуанина идет только в том

пускающим процесс β элиминирования, явля

случае, когда 16S рРНК находится в составе 30S

ется остаток аспарагиновой кислоты либо моле

субчастиц рибосомы [22]. Такая особенность яв

кула воды, определенным образом ориентиро

ляется примером конформационного контроля

ванная в активном центре фермента [19]. Инте

процесса метилирования РНК, поскольку извест

ресно отметить, что в случае метилтрансферазы

но, что в процессе сборки малой субчастицы

DNMT3A образование ковалентного коньюгата

связывание 16S рРНК с рибосомными белками

не является необходимым для метилирования.

S7 и S19 приводит к изменению ее простран

Так, замена цистеина в мотиве IV на аланин

ственной структуры, а именно к образованию

приводит к снижению, но не исчезновению ка

шпильки, включающей в себя 960-975 нуклео

талитической активности, однако механизм та

тиды 16S рРНК [23].

кой реакции пока не установлен.

RsmB - первая РНК C5 метилтрансфераза,

РНК (урацил С5) метилтрансферазы, так

для которой была получена кристаллическая

же, как и РНК (цитозин C5) метилтрансфера

структура в высоком разрешении как в присут

зы, используют в качестве каталитического ос

ствии, так и в отсутствии связанного кофакто

татка цистеин в мотиве VI, однако они лишены

ра - S аденозил L метионина [24]. По данным

остатка цистеина в мотиве IV, используемого

РСА, в RsmB можно выделить РНК связываю

для расщепления ковалентного конъюгата гете

щий NusB подобный домен и каталитический

БИОХИМИЯ том 84 вып. 8 2019

1080

КУЗНЕЦОВА и др.

С концевой, принадлежащий семейству доме

m⁵C967, не являясь жизненно необходимой для

нов NOL1/Nop2/Sun (рис. 2, рис. 3, а). В струк

E. coli, по крайней мере, в лабораторных услови

туре присутствуют все характерные мотивы C5

ях влияет на регуляцию скорости инициации

метилтрансфераз. Так, мотив I представляет со

трансляции, что наиболее явно проявляется в

бой жесткую шпильку, координирующую с по

процессе аттенюации. Возможно, что в условиях

мощью амидных связей полипептидной цепи

нехватки других метаболитов или конкуренции

карбоксильную группу S аденозил L метиони

с другими штаммами или видами бактерий не

на, мотив II координирует его 2’ и 3’ гидрок

оправданный расход ресурсов на дорогостоя

сильные группы, а мотив III задает правильную

щий биосинтез триптофана может иметь крити

ориентацию аденозина благодаря образованию

ческое значение.

водородных связей с атомами N1 и N6 пурино

RsmF. Метилтрансфераза RsmF была иден

вого кольца. Пространственное расположение

тифицирована как РНК C5 метилтрансфераза

цистеинов Cys325 и Cys375 из IV и VI мотивов в

на основании ее гомологии с RsmB (27% иден

каталитическом кармане RsmB (рис. 3, а) согла

тичности). RsmF катализирует in vivo метилиро

суется с предложенным двухцистеиновым меха

вание цитозина С1407 16S рРНК малой субча

низмом образования 5 метилцитозина [23]. Хотя

стицы рибосомы [27]. Поскольку С1407 нахо

кристаллическая структура комплекса RsmB с

дится в области межсубчастичного контакта

РНК до настоящего времени не получена, мето

вблизи от Р сайта, то его метилирование может

дом молекулярной динамики было показано, что

потенциально влиять на ассоциацию субчастиц

С967 в составе РНК шпильки способен эффек

рибосомы, связывание тРНК или процесс

тивно связываться с RsmB [24]. При этом проис

транслокации. В отличие от метилтрансферазы

ходит экспонирование C967 и его координация

RsmB, проявляющей свою каталитическую ак

остатком аспарагиновой кислоты из мотива VI.

тивность, когда 16S рРНК находится в свобод

Известно, что в рРНК минорные основания

сгруппированы в функционально значимых об

ластях рибосомы. Для изучения функциональ

ной роли m⁵C967 был детально изучен штамм

ΔrsmB/ΔrsmD, в котором отсутствует не только

m⁵C967, но и m²G966. Оказалось, что данные

модификации выполняют свою функцию на

стадии инициации трансляции: они стабилизи

руют связывание инициаторной аминокислоты

с 30S пре инициаторным комплексом перед

процессом узнавания старт кодона [25]. В рабо

те [26] было показано, что in vivo это может при

водить к повышенной экспрессии триптофано

вого оперона даже при наличии триптофана.

Экспрессия данного оперона в норме зависит от

концентрации триптофана и определяется про

цессом аттенюации: в зависимости от соотно

шения скоростей транскрипции и трансляции

соответствующая мРНК может образовывать

различные типы вторичной структуры. При

низкой концентрации триптофана происходит

замедление рибосомы на триптофановых кодо

нах, в результате чего увеличивается расстояние

между РНК полимеразой и рибосомой и обра

зуется вторичная структура мРНК, способству

ющая продолжению трансляции. При высоких

концентрациях триптофана происходит форми

рование терминаторной шпильки, и наблюдает

ся противоположный эффект. В штамме

ΔrsmB/ΔrsmD задержка в инициации трансля

ции приводит к увеличению расстояния между

Рис. 2. Доменная организация РНК (цитозин С5) метил

РНК полимеразой и рибосомой, и ситуация

трансфераз бактерий (RsmB, RsmF, RlmI) и эукариот

оказывается аналогичной условиям недостатка

(NSUN1 7, DNMT2). Показаны метилтрансферазные и

триптофана. Таким образом, модификация

другие домены, принадлежащие к известным семействам

БИОХИМИЯ том 84 вып. 8 2019

РНК С5 МЕТИЛТРАНСФЕРАЗЫ

1081

Рис. 3. Структуры представителей РНК (цитозин С5) метилтрансфераз. а - Кристаллическая структура метилтрансфера

зы RsmB E. coli (код Brookhaven PDB 1SQF) [24]. Отмечены положение каталитически активных цистеиновых остатков,

находящихся в мотивах VI и IV, соответственно, и S аденозил L метионина. Обозначены домены NusB и

NOL1/Nop2/Sun; б - кристаллическая структура метилтрансферазы RlmI E. coli (код Brookhaven PDB 3C0K) [28]. Указа

ны компоненты комплекса и каталитический остаток цистеина. Обозначены домены PUA и Met 10. в - Кристаллическая

структура комплекса NSUN4 MTERF4 SAM (код Brookhaven PDB 4FZV) [80]. Указаны компоненты комплекса и катали

тические остатки цистеина. г - Кристаллическая структура комплекса РНК (цитозин С5) метилтрансферазы NSUN6 c

тРНК по данным рентгеноструктурного анализа (код Brookhaven PDB 5WWR) [87]. Показано принципиальное участие

как акцепторного стебля, так и D петли тРНК в образовании комплекса. Обозначены домены PUA и NOL1/Nop2/Sun, а

также остатки цистеина, участвующие в катализе

ном состоянии в отсутствии связанных с ней ри

сомы, не подвергаются метилированию RsmF.

босомных белков, RsmF метилирует 16S рРНК

Взаимодействие 16S рРНК с рибосомными бел

исключительно в составе 30S субчастиц. Как

ками в процессе сборки малой субчастицы, как

свободная 16S рРНК, так и собранные 70S рибо

уже отмечалось ранее, сопряжено с ее значи

3 БИОХИМИЯ том 84 вып. 8 2019

1082

КУЗНЕЦОВА и др.

тельными конформационными изменениями,

что на основании первичной структуры ее дол

что может служить причиной специфичности

гое время считали РНК (урацил С5) метилтранс

RsmF. В свою очередь, ассоциация субчастиц

феразой. RlmI метилирует цитозин C1962 23S

приводит к экранированию C1407.

рРНК, расположенный, подобно m⁵С1407, в об

Cогласно данным рентгеноструктурного

ласти межсубчастичного контакта, в участке 23S

анализа, в структуре RsmF можно выделить

рРНК, содержащем большое число минорных

N концевой каталитический и C концевой

оснований [29]. Как и в случае RsmB, мишенью

PUA подобный домены (рис. 2) [28]. Последний

для RlmI является свободная 23S рРНК до ее

напоминает PUA домены псевдоуридинсинтаз

включения в состав 50S субчастиц рибосомы.

и трансгликозилаз, отвечающие за связывание

Интересно, что ближайшим к остатку цитозина

участков РНК со сложной пространственной

С1962 минорным основанием является псевдо

структурой. PUA домен в RsmF жестко связан с

уридин Ψ1917, и соответствующая псевдоури

метилтрансферазным доменом пролин богатой

динсинтаза RluD модифицирует 23S рРНК уже

последовательностью. Непосредственно на

после ее связывания с рибосомными белками.

N конце RsmF находится еще одна РНК связы

Для RlmI, как и для двух описанных ранее

вающая последовательность. Следует отметить,

РНК C5 метилтрансфераз из E. coli, была полу

что наличие двух пространственно разделенных

чена кристаллическая структура (рис. 3, б) [30].

участков узнавания РНК нехарактерно для

Следует отметить, что не только аминокислот

большинства известных бактериальных фер

ная последовательность, но и пространственная

ментов.

структура RlmI резко отличаются от ранее изу

На основании кристаллической структуры

ченных РНК C5 метилтрансфераз. Так, для нее

RsmF методом компьютерного моделирования

не характерен двухцистеиновый механизм ката

была построена модель его связывания с рРНК.

литического действия, поскольку в мотиве IV

Согласно полученным данным, метилтрансфе

цистеин отсутствует, а Cys340, который, возмож

разный домен взаимодействует не только с

но, ответственен за образование ковалентного

С1407, но и с двумя β листами рибосомного

соединения с метилируемым остатком, располо

белка S12, входящего в состав 30S субчастицы.

жен в мотиве VI. На вопрос о том, каким обра

Такая модель объясняет специфичность RsmF в

зом осуществляется процесс β элиминирова

отношении 30S субчастиц, а также еще раз под

ния, однозначного ответа нет. С одной стороны,

черкивает важность координации различных

согласно кристаллической структуре RlmI,

процессов при сборке рибосомы для обеспече

функцию основания в данном процессе может

ния эффективной модификации рРНК. Моде

выполнять аспарагиновая кислота Asp300, но

лирование структуры активного центра RsmF в

также нельзя исключать и возможность генера

присутствии связанной 16S рРНК находится в

ции основания путем депротонирования связан

согласии с предложенным механизмом катали

ной в активном центре воды, как это было про

тической активности РНК C5 метилтрансфе

демонстрировано методом компьютерного мо

раз: атомы С5 и С6 метилируемого цитозина

делирования для ДНК метилтрансферазы HhaI

С1407 располагаются в непосредственной бли

[19]. Архитектура центрального домена RlmI

зости как от метильной группы S аденозил L

близка к архитектуре РНК (урацил С5) метил

метионина, так и от входящих в состав IV и VI

трансферазы RlmD и архейного белка PH0793.

мотивов цистеинов Cys197 и Cys247.

Ортолог последнего в H. sapiens TYW2 участвует

Функциональная роль m⁵C1407, как и мно

в образовании вайбутозина в тРНК и является

гих других минорных оснований бактериальной

SAM зависимым белком, однако переносу под

рибосомы, до конца не изучена. Ортологи RsmF

вергается не метильная, а α амино α карбок

присутствуют во многих грамположительных и

сипропильная группа S аденозил L метионина

грамотрицательных бактериях, свидетельствуя о

[31]. Общим структурным мотивом в каталити

возможных преимуществах, которые в опреде

ческих доменах данных трансфераз является так

ленных условиях дает бактериям данная моди

называемый ЕЕНЕЕ домен, составленный из

фикация. Действительно, удаление гена данной

четырех β листов и одной α спирали и имею

метилтрансферазы сопряжено с небольшим, но

щий высокое сродство к РНК. N конец RlmI

устойчивым снижением скорости роста, и в

также предположительно участвует во взаимо

стрессовых условиях наблюдается усиление дан

действии с РНК за счет наличия PUA домена.

ного эффекта.

На основании кристаллической структуры

RlmI. Идентификация РНК (цитозин С5)

RlmI, а также структуры комплекса RlmD c РНК

метилтрансферазы RlmI была сопряжена с ря

была построена модель связывания RlmI с 23S

дом сложностей, связанных в первую очередь с

рРНК [30]. В рамках данной модели положитель

отсутствием гомологии с RsmB, а также с тем,

но заряженная бороздка на поверхности димера

БИОХИМИЯ том 84 вып. 8 2019

РНК С5 МЕТИЛТРАНСФЕРАЗЫ

1083

RlmI предпочтительно связывает одноцепочеч

цитозина ДНК метилтрансферазами (одноцис

ную РНК. Так как в отсутствии рибосомных бел

теиновый механизм, рис. 1, б), и таким образом,

ков рРНК легче подвергается разрушению вто

DNMT2 в настоящее время является единствен

ричной структуры с образованием одноцепочеч

ной из известных РНК метилтрансфераз, рабо

ных участков, данный факт согласуется со спе

тающих по типу ДНК метилтрансфераз.

цифичностью RlmI к свободной 23S рРНК.

Практически во всех исследованных орга

Гомологи RlmI распространены как среди

низмах, таких как H. sapiens, M. musculus,

бактерий, так и в археях. Отсутствие m⁵C1962 в

D. melanogaster, D. discoideum, E. histolytica,

23S рРНК, так же, как и отсутствие m⁵C1407 в

S. pombe, мишенью метилтрансферазы DNMT2

16S рРНК E. coli, сопряжено с небольшим, но

является тРНК^Аsp(GUC), в которой метилирует

достоверным снижением скорости роста, одна

ся цитозин С38, находящийся в составе антико

ко конкретная функциональная роль этого ме

доновой петли [33]. В некоторых организмах

тилированного цитозина до конца не изучена.

мишенью DNMT2 являются тРНК^Gly и тРНК^Val.

Интересно отметить, что гомолог DNMT2 - бе

лок GsDnmt2 был обнаружен в протеобактериях

ЭУКАРИОТИЧЕСКИЕ

Geobacter sulfurreducens. Основной мишенью

РНК (ЦИТОЗИН С5)

GsDnmt2 in vivo является тРНК^Glu, в то время

МЕТИЛТРАНСФЕРАЗЫ

как метилирование тРНК^Аsp протекает с низкой

эффективностью и только в условиях in vitro

По сравнению с бактериями, в эукариотах

[34]. Детальный анализ субстратной специфич

5 метилцитозин гораздо более распространен и

ности GsDnmt2, основанный на мутагенезе

встречается, помимо рРНК, также в тРНК,

тРНК с последующей оценкой уровня их мети

мРНК и ряде некодирующих РНК. Ниже будут

лирования, подчеркивает значительную роль

рассмотрены восемь известных в настоящее

вариабельной петли тРНК в процессе узнава

время эукариотических РНК (цитозин С5) ме

ния, в частности, она не должна содержать в

тилтрансфераз. Одна из них - DNMT2 - по

своем составе динуклеотид GG.

структуре и свойствам напоминает ДНК метил

В настоящее время установлено, что m⁵C38 в

трансферазы, а семь других содержат общий

тРНК^Аsp выполняет в клетке, как минимум, две

консервативный мотив NOL1/Nop2/Sun.

различные функции, связанные со стабиль

DNMT2 - единственная эукариотическая

ностью самой тРНК и ее участием в реакции

РНК C5 метилтрансфераза, структура и ката

аминоацилирования. Так, наличие m⁵C38 пре

литический механизм которой схожи с извест

дотвращает разрезание тРНК ангиогенином -

ными про и эукариотическими ДНК метилтранс

рибонуклеазой, активирующейся при различ

феразами. Филогенетический анализ аминокис

ных видах стресса [35]. Ангиогенин разрезает

лотных последовательностей более чем 2300

молекулы тРНК в области антикодоновой петли

РНК и ДНК (цитозин С5) метилтрансфераз

на фрагменты, обладающие регуляторными

показал, что эволюция DMNT2 и известных эу

функциями и действущие подобно малым ин

кариотических ДНК метилтрансфераз, таких

терферирующим РНК [36]. Другая функция

как DNMT1, DNMT3A и DNMT3B, протекала

m⁵C38 в тРНК^Аsp состоит в увеличении сродства

независимо, и что у описанных ферментов есть

метилированной тРНК к аспартил тРНК син

общий предшественник из семейства прокарио

тетазе более чем в четыре раза по сравнению с ее

тических ДНК метилтрансфераз [32]. В то же

неметилированным аналогом. Таким образом,

время, DNMT2 имеет гораздо меньшее сходство

метилированная форма тРНК эффективнее

с известными РНК метилтрансферазами, поэ

вступает в реакцию аминоацилирования. В от

тому можно полагать, что эволюционным пред

сутствии m⁵C38 количество аминоацилирован

шественником DNMT2 была ДНК (цитозин

ной тРНК снижается, что, в свою очередь, при

С5) метилтрансфераза, изменившая свою

водит к снижению эффективности трансляции,

субстратную специфичность с ДНК на РНК.

в первую очередь белков, содержащих участки

Как уже упоминалось ранее, ключевым от

олигоаспартата. Установлено, что белки, содер

личием между РНК и ДНК метилтрансфераза

жащие четыре и более остатков аспарагиновой

ми является различная функциональная роль их

кислоты подряд, имеют преимущественно ядер

структурных мотивов в процессе образования

ную локализацию и участвуют в регуляции

ковалентного комплекса с цитозин содержащей

экспрессии различных генов, а также в струк

мишенью и его последующего разрушения в ре

турной организации хромосом [37].

зультате β элиминирования. Механизм метили

Интересно отметить, что наличие в антико

рования цитозина РНК метилтрансферазой

доне тРНК^Аsp кьюозина, производного 7 деаза

DNMT2 аналогичен механизму метилирования

гуанозина, присутствие которого в антикодоне

БИОХИМИЯ том 84 вып. 8 2019

1084

КУЗНЕЦОВА и др.

ассоциируют с увеличением точности трансля

NSUN1. Эукариотическая РНК (цитозин

ции [38], приводит к увеличению процента ме

С5) метилтрансфераза NSUN1 (p120, NOL1,

тилирования цитозина С38 с 14% до 100% в ус

Nop2) является представителем семейства

ловиях in vivo. Данный факт был впервые обна

NOL1/Nop2/Sun РНК метилтрансфераз. Парт

ружен в дрожжах S. pombe и впоследствии также

нером Nop2 дрожжей является белок Trm112,

подтвержден для D. discoideum и E. histolytica

партнером NSUN1 млекопитающих - гомоло

[39]. Таким образом, наличие кьюозина в

гичный белок TRMT112. Белки семейства

тРНК^Аsp влияет на степень метилирования С38

Trm112 служат адаптором для ряда РНК метил

и, следовательно, на ее стабильность. Учитывая,

трансфераз, модифицирующих как РНК, так и

что эукариотические организмы не способны

белки, компоненты аппарата трансляции [44,

синтезировать кьюозин, а получают его исклю

45]. NSUN1 высококонсервативна и имеет го

чительно от бактерий, данный процесс пред

мологов как в одно , так и в многоклеточных эу

ставляет собой один из многочисленных аспек

кариотических организмах. Для дрожжевого го

тов взаимодействия эукариотических организ

молога NSUN1 - метилтрансферазы Nop2 -

мов с микробиотой.

была построена модель трехмерной структуры,

Экспрессия, внутриклеточная локализация

основанная на его гомологии с бактериальной

и каталитическая активность DNMT2 сильно

РНК C5 метилтрансферазой RsmB с известной

зависят от стадии развития организма, стадии

кристаллической структурой [46]. На N конце

клеточного цикла, а также наличия стрессовых

Nop2 расположен РНК связывающий домен

условий. Стабильно высокая экспрессия наблю

[47], в состав которого также входит аминокис

дается в часто делящихся и метаболически ак

лотная последовательность, отвечающая за ло

тивных клетках. Внутриклеточная локализация

кализацию в ядрышке [48], а на С конце - метил

DNMT2 динамична на протяжении клеточного

трансферазный домен (рис. 2). Nop2 метилирует

цикла и является преимущественно цитоплаз

цитозин С2870 25S рРНК дрожжей, располо

матической, но этот белок также обнаруживает

женный в пептидилтрансферазном центре боль

ся и в ядерном матриксе, а его распределение в

шой субчастицы рибосомы.

профазе митоза соответствует расположению

Как и в случае других известных РНК C5

формирующегося веретена деления [40]. Таким

метилтрансфераз, метилирование РНК метил

образом, DNMT2 может иметь еще не изучен

трансферазой Nop2 протекает с участием двух

ные функции в процессе митоза, и не исключе

цистеинов: Сys424 из мотива VI и Cys478 из мо

но, что они могут быть не связаны с метилтранс

тива IV (рис. 1, а). Эксперименты с заменой ка

феразной активностью.

талитически активных цистеинов на аланин

В отсутствии DNMT2 организмы остаются

продемонстрировали одну интересную особен

жизнеспособными и фертильными. Возможно,

ность: замена Cys424, а также одновременно

наличие данной метилтрансферазы благоприят

Cys424 и Cys478 не являлись летальными и ожи

но сказывается на выживании организмов в ус

даемо приводили к ингибированию метилиро

ловиях, далеких от лабораторных. Действитель

вания, в то время как замена Cys478 на аланин

но, инактивация DNMT2 у ряда организмов по

при сохранении Cys424 оказалась летальной для

нижает продолжительность их жизни и устойчи

клетки. Причина такого эффекта, вероятно,

вость к различным видам стресса, в том числе к

заключается в том, что в отсутствии каталити

окислительному и нитрозному, в то время как

ческого цистеина в мотиве VI не происходит об

суперэкспрессия DNMT2 имеет противополож

разования ковалентного коньюгата Nop2 с

ный эффект [41].

РНК мишенью, что является необходимой ста

Согласно базе данных соматических мута

дией процесса метилирования, а при замене ка

ций, связанных с различными видами рака

талитического цистеина в мотиве IV такой конь

(COSMIC), более 120 мутаций в гене DNMT2 че

югат образуется, но дальнейшего β элиминиро

ловека выявляются в образцах опухолевых тка

вания не происходит. В результате 25S рРНК

ней различного происхождения [42]. Однако од

оказывается ковалентно связанной с Nop2 и, со

нозначного вывода о том, являются ли эти мута

ответственно, не может принимать участие в био

ции причиной опухолевой трансформации, сде

генезе рибосом, что приводит к катастрофичес

лать пока нельзя.

ким последствиям для клетки.

Кроме того, имеются данные о влиянии

У высших эукариот метилтрансфераза

DNMT2 на процесс эпигенетического наследо

NSUN1 метилирует цитозин С4447 спирали Н89

вания. Непосредственную роль в данном про

пептидилтрансферазного центра 28S рРНК по

цессе играют малые фрагменты тРНК, однако в

аналогии с Nop2, которая метилирует цитозин

настоящее время механизм этого процесса на

С2870 25S рРНК S. сerevisiae [46]. Известно, что

ходится в стадии изучения [43].

NSUN1 человека, содержащая Arg богатый

БИОХИМИЯ том 84 вып. 8 2019

РНК С5 МЕТИЛТРАНСФЕРАЗЫ

1085

участок, образует in vitro комплекс с 28S рРНК

ства STAT в фосфорилированном состоянии.

[47]. В подтверждение теории о гомологии Nop2

В клетках костного мозга сигнальный путь, за

и NSUN1 можно привести тот факт, что NSUN1

пускаемый гранулоцит колониестимулирую

H. sapiens при экспрессии в штамме Δnop2

щим фактором G CSF и приводящий к актива

S. cerevisiae метилирует С2870 в 25S рРНК. К та

ции JAK/STAT каскада, является основным пу

кому же результату приводит экспрессия гиб

тем активации экспрессии NSUN1. Результатом

ридного белка, составленного из дрожжевого N

такого процесса является пролиферация и диф

и человеческого С доменов [49].

ференцировка предшественников гранулоцитов

Метилтрансфераза Nop2 S. cerevisiae являет

[54]. Мутации STAT связывающего участка гена

ся необходимым фактором для процессинга 27S

NSUN1 приводят к исчезновению стимулирую

пре рРНК и, соответственно, образования зре

щего действия G CSF на экспрессию NSUN1.

лых форм 25S и 5,8S рРНК. Отсутствие Nop2

Следует отметить, что относительно высокая

приводит к замедлению процессинга 27S пре

экспрессия NSUN1 в стволовых клетках умень

рРНК и уменьшению уровня метилирования ее

шается по мере их дифференцировки и в боль

консервативного участка UmGmΨUC2922 [50].

шинстве тканей взрослого организма осущест

Наблюдается уменьшение количества 60S суб

вляется на очень низком уровне. Однако из этой

частиц рибосом и компенсаторное увеличение

закономерности есть одно интересное исключе

уровня 40S субчастиц и 43S преинициаторных

ние: в клетках мозга высокая экспрессия

комплексов. Для нокаутных клеток также харак

NSUN1 отмечена не только в нейрональных

терно значительное снижение скорости роста.

стволовых клетках, но и в зрелых дифференци

Интересно, что данные эффекты нивелируются

рованных нейронах в определенных областях

не только при экспрессии в нокуатном штамме

мозга, прежде всего в супрагранулярных и инф

функционального Nop2, но и при экспрессии

рагранулярных слоях соматосенсорной коры

его каталитически неактивного аналога с заме

[55]. При этом тип нейронов также имеет значе

нами каталитических цистеинов на аланины

ние - высокий уровень экспрессии характерен

[49]. Таким образом, есть основания полагать,

прежде всего для гигантских пирамидных ней

что описанные выше эффекты действительно

ронов, в то время как в олигодендроцитах и

связаны с Nop2, но не зависят от его метилтранс

клетках микроглии высокого уровня экспрессии

феразной активности. Функциональная роль

NSUN1 не отмечено. В настоящее время нет ос

самого метилирования 28S рРНК остается пока

нований полагать, что такая экспрессия NSUN1

неизвестной.

напрямую обусловлена ее метилтрансферазной

В клетках млекопитающих наблюдается ло

активностью в отношении рРНК, так как для

кализация NSUN1 в плотном фибриллярном

многих типов клеток, активно синтезирующих

компоненте ядрышка и сильная зависимость

рибосомы, в частности гепатоцитов, экспрессия

экспрессии от стадии клеточного цикла: макси

NSUN1 практически не наблюдается.

мальная экспрессия достигается в поздней G1 и

NSUN2. Эукариотическая РНК (цитозин

S фазе [51]. Полное удаление гена NSUN1 явля

C5) метилтрансфераза NSUN2 (MISU, MRT5,

ется летальным, что говорит о значимости вы

SAKI, TRM4), принадлежащая семейству

полняемых им функций. Экспрессия NSUN1

NOL1/NOP2/Sun РНК метилтрансфераз, пред

сопряжена с ростом и пролиферацией клеток, а

ставлена как в одноклеточных, так и в много

ее чрезмерно высокий уровень наблюдается в

клеточных эукариотических организмах и мети

злокачественных опухолях. Так, суперэкспрес

лирует удивительно большой набор РНК мише

сия NSUN1 в фибробластах мыши NIH3T3 при

ней. Согласно результатам широкомасштабного

водит к их злокачественному перерождению, а

секвенирования с бисульфитной конверсией,

количество NSUN1 в данном случае напрямую

основными мишенями NSUN2 являются тРНК,

коррелирует со способностью клеток к проли

но мРНК и некодирующие РНК также могут

ферации и метастазированию в иммунодефи

метилироваться этим белком [56].

цитных мышах и, следовательно, с тяжестью

Метилирование тРНК NSUN2 является вы

прогноза заболевания [52]. Для ряда видов рака,

сококонсервативным и встречается в 80% всех

таких как карцинома молочной железы и лег

тРНК в клетке. Метилируемые основания в ос

ких, NSUN1 служит диагностическим марке

новном располагаются в двух структурных об

ром, позволяющим оценить состояние опухоли

ластях тРНК: в области антикодоновой петли

и адекватно выбрать тактику лечения [53]. Акти

(С34, С38) и в области вариабельной петли в

вация синтеза NSUN1 также происходит при за

месте ее соединения с ТΨС петлей (С48, С49,

пуске ряда сигнальных каскадов. Так, например,

С51). Как уже упоминалось выше, цитозин С38

первый интрон гена NSUN1 содержит последо

может метилироваться также метилтрансфера

вательность, способную связывать белки семей

зой DNMT2. Необходимым условием метилиро

БИОХИМИЯ том 84 вып. 8 2019

1086

КУЗНЕЦОВА и др.

вания цитозина С34 тРНК^Leu(САА) метилтранс

чае такая модификация способствует репрессии

феразой NSUN2 является наличие интрона в

трансляции, а во втором - ее активации. В ре

области вариабельной петли, и, таким образом,

зультате данные эффекты согласованно приво

реакция протекает исключительно на стадии

дят к замедлению репликативного старения

пре тРНК [57]. Метилирование ряда цитозинов

[61]. В научной литературе описано, что метил

вариабельной петли (С48 51) играет важную

трансфераза NSUN2 может метилировать экзо

роль в развитии ответа на окислительный и дру

циклическую аминогруппу аденина А988 мРНК

гие виды стресса, опосредованного рибонуклеа

гена супрессора опухолей р16. Наличие m⁶A988

зой ангиогенином. В ответ на стресс ангиогенин

препятствует образованию шпильки в данной

разрезает молекулы тРНК в области антикодо

мРНК и способствует увеличению ее стабиль

нового участка, генерируя, соответственно 5’ и

ности в клетке. В отсутствии NSUN2 образова

3’ фрагменты тРНК

[58]. В то время как

ние вторичной структуры в мРНК приводит к ее

3’ фрагменты тРНК подвергаются деградации,

ассоциации с факторами HuR, AUF1 и комп

5’ фрагменты, получившие название tsRNA,

лексом AGO2/RISC с последующей деградаци

имеют тенденцию к накоплению в клетке. На

ей [62]. Следует отметить, что такая специфич

капливающиеся

5’ фрагменты тРНК^Ala и

ность NSUN2 достаточно неординарна: пос

тРНК^Cys ингибируют трансляцию на стадии ее

кольку каталитические механизмы цитозин и

инициации за счет связывания с инициаторны

аденин метилтрансфераз различны, протекание

ми факторами eIF4G и eIF4A, препятствующего

обеих реакций в одном активном центре мало

их взаимодействию с мРНК. Метилирование

вероятно.

цитозинов вариабельной петли тРНК значи

Некодирующие РНК мишени метилтранс

тельно снижает их аффинность к ангиогенину,

феразы NSUN2 крайне разнообразны, однако в

уменьшая накопление 5’ фрагментов тРНК

их функциях можно проследить общую законо

[58]. Такая роль NSUN2 подтверждается тем,

мерность. Для многих из них характерно участие

что в клетках с инактивированным NSUN2 наб

в регуляции процессинга, фолдинга и модифи

людается накопление 5’ фрагментов тРНК и,

кации других некодирующих РНК - к ним от

соответственно, подавление трансляции даже в

носятся РНК компонент рибонуклеазы Р

отсутствии внешних стрессовых факторов.

RPPH1, Y РНК и малая РНК SCARNA2, участ

Другим классом РНК мишеней NSUN2 яв

вующая в процессинге малых ядерных РНК в

ляются мРНК, при этом метилируемые основа

тельцах Кахаля. Кроме того, к мишеням NSUN2

ния могут располагаться как непосредственно в

относятся также 5S рРНК и 7S L РНК, необхо

кодирующей последовательности, так и в 5’ и

димые для синтеза белков и их транспорта в эн

3’ нетранслируемых областях мРНК. Наличие

доплазматический ретикулум соответственно

5 метилцитозина в мРНК может иметь различ

[63]. Метилированию NSUN2 подвергаются

ные последствия для ее стабильности и эффек

также РНК компоненты комплекса Vault - са

тивности трансляции. Так, в Т лимфоцитах

мого крупного из известных рибонуклеопротеи

NSUN2 метилирует цитозин С466 в кодирую

новых комплексов, размер которого приблизи

щей области мРНК интерлейкина 17 - ключе

тельно в три раза превышает размер рибосомы.

вого регулятора развития иммунного ответа, от

К настоящему времени известно, что комплекс

ветственного также за развитие аутоиммунных

Vault принимает участие во множестве сигналь

заболеваний [59]. Такая модификация, не изме

ных каскадов в клетке и участвует в приобрете

няя стабильности самой мРНК, непосредствен

нии устойчивости некоторых видов рака к хи

но влияет на процесс ее трансляции, усиливая

миотерапии [64]. РНК, входящие в комплекс

экспрессию интерлейкина 17. NSUN2 также

Vault и подвергающиеся метилированию

метилирует еще одну мРНК, необходимую для

NSUN2, способны процессироваться белками

работы иммунной системы, кодирующую белок

семейства Argonaute и выполнять функции мик

межклеточной адгезии ICAM 1 [60]. По резуль

роРНК, причем этот процесс напрямую зависит

татам изучения метилирования in vitro, в мРНК

от наличия 5 метилцитозина [65]. Более деталь

ICAM 1 содержится не менее семи сайтов мети

но данный механизм, а также роль модифика

лирования NSUN2. Модификация мРНК

ций РНК в составе Vault комплекса пока не изу

ICAM 1 вызывает активацию ее трансляции и,

чены.

следовательно, усиление экспрессии ICAM 1 и

Интересной особенностью РНК метилтранс

увеличение адгезии лейкоцитов к клеткам сосу

феразы NSUN2, отличающей ее от всех других

дистого эндотелия. Кроме того, мишенями

известных на настоящий момент метилтрансфе

NSUN2 могут служить мРНК белков регулято

раз, является ее различная внутриклеточная ло

ров клеточного цикла. Например, NSUN2 мети

кализация на разных стадиях клеточного цикла.

лирует мРНК p27 и CDK1, причем в первом слу

В G1 фазе NSUN2 преимущественно сосредото

БИОХИМИЯ том 84 вып. 8 2019

РНК С5 МЕТИЛТРАНСФЕРАЗЫ

1087

чена в ядрышке, в S фазе - в нуклеоплазме, при

NSUN2 ассоциируется с развитием онкологи

чем именно в S фазе экспрессия NSUN2 в клет

ческих заболеваний, и для рака молочной желе

ке максимальна. При движении далее по кле

зы была установлена корреляция между уровнем

точному циклу NSUN2 переходит в цитоплазму

экспрессии NSUN2 и клинической стадией за

и в G2 фазе обнаруживается преимущественно в

болевания [71]. Удаление гена NSUN2 у мышей

цитоплазматических везикулах. При переходе к

не является летальным, однако для них харак

митозу наблюдается ассоциация комплекса

терна значительная задержка в росте, в то же

NSUN2 и 18S рРНК с микротрубочками верете

время для плодовой мушки D. melanogaster по

на деления. Таким образом, при движении по

мимо задержки в росте были отмечены наруше

клеточному циклу локализация NSUN2 карди

ния кратковременной памяти [72].

нально изменяется, что допускает возможность

У человека мутации в гене NSUN2 ассоци

тесного взаимодействия NSUN2 с белками ре

ированы с умственной отсталостью, а также вы

гуляторами клеточного цикла [66].

зывают синдром Дубовица - редкое генетиче

Идея о том, что РНК метилтрансфераза

ское расстройство, при котором наблюдаются

NSUN2 играет роль в контроле клеточного цик

мутации в сайте сплайсинга экзона 6 гена

ла, подтверждается также тем, что она является

NSUN2 [73]. Помимо задержки в умственном

непосредственной мишенью для фактора тран

развитии, у подобных пациентов наблюдаются

скрипции Myc и центральной митотической ки

серьезные неврологические аномалии - микро

назы Aurora B [67, 68]. Myc является фактором

цефалия, заторможенность речи, а также мор

транскрипции для множества генов, отвечаю

фологические изменения, такие как задержка

щих за процессинг рРНК и белков, а также за

роста и дефекты кожных покровов. В настоящее

контроль клеточного цикла. Активация Myc вы

время нет единой картины, каким образом на

зывает увеличение размера ядрышка и усиление

рушения активности NSUN2 могут приводить к

пролиферации клеток, а инактивация NSUN2

подобным проявлениям. Возможно, одной из

ингибирует эти эффекты. Таким образом,

причин является нарушение трансляции, выз

NSUN2 является важным посредником в инду

ванное ангиогенин опосредованным накопле

цированном Myc функциональном каскаде.

нием 5’ фрагментов тРНК, следствием чего мо

Митотическая киназа Aurora B, напротив, фос

гут быть уменьшение размера нейронов и ошиб

форилируя серин Ser139, ингибирует метилтранс

ки в формировании синаптических контактов.

феразную активность NSUN2. Таким образом,

Подобная теория подтверждается тем, что по

во время митоза метилтрансфераза NSUN2 на

давление трансляции и уменьшение размера

ходится в каталитически неактивном состоя

мозга мышей с инактивированным геном

нии. Эксперименты с заменой каталитически

NSUN2 могут быть нивелированы при примене

активного цистеина на аланин подтверждают,

нии ингибиторов ангиогенина или окислитель

что для стабилизации веретена деления метил

ного стресса [56].

трансферазная активность NSUN2 не является

NSUN3. Метилтрансфераза NSUN3, в отли

необходимой. Интересно, что на веретене деле

чие от большинства РНК С5 метилтрансфераз

ния NSUN2 находится в комплексе не только с

семейства NOL1/NOP2/Sun, имеет близких го

18S рРНК, но и c ядрышковым белком NuSAP,

мологов, за редким исключением, только у хор

являющимся важным фактором сборки верете

довых животных. NSUN3 локализуется в мат

на деления. NuSAP, в свою очередь, является

риксе митохондрий и метилирует С34 митохонд

мишенью Myc, что демонстрирует пересечение

риальной тРНК^Мet(мт тРНК^Мet), что соответ

глобальных функциональных каскадов для регу

ствует первому, «wobble» положению антикодо

ляции процесса клеточной пролиферации [66].

на. Важно отметить, что в данном случае 5 ме

Многообразие функций, выполняемых в

тилцитозин не является конечным продуктом

клетке метилтрансферазой NSUN2, сопряжено

реакции, идет его дальнейшее окисление Fe(II)

с таким же многообразием фенотипов, ассоци

зависимой диоксигеназой ALKBH1/ABH1 до

ированных с ее отсутствием или мутациями. На

5 гидроксиметилцитозина, а затем и до 5 фор

клеточном уровне удаление гена NSUN2 имеет

милцитозина (рис. 4) [74].

множество последствий для митоза, таких как

Следует отметить, что в клетке присутствуют

построение мультиполярных веретен деления,

мт тРНК^Мet со всеми указанными вариантами

анеуплоидия и клеточная смерть [66].

модификаций цитозина С34, каждая из которых

У высших эукариот экспрессия NSUN2 наб

изменяет способность тРНК узнавать различ

людается на низком уровне во всех здоровых

ные кодоны в процессе трансляции.

тканях и обеспечивает протекание процесса

Так, 5 формилцитозин благодаря наличию

дифференцировки и пролиферации клеток [69,

формильной группы, способен образовывать

70]. В то же время, повышение экспрессии

Уотсон-Криковские пары не только с гуани

БИОХИМИЯ том 84 вып. 8 2019

1088

КУЗНЕЦОВА и др.

Рис. 4. Последовательность биохимических реакций, катализируемых ферментами NSUN3 и ABH1 в тРНК^Мet; R - оста

ток молекулы РНК; 1-4 - остатки цитозина, 5 метил , 5 гидроксиметил и 5 формилцитозина соответственно

ном, но и аденином, поскольку формильная

ти как инициации, так и элонгации трансляции

группа, не оказывая влияния на стабильность

[76].

самой тРНК, способствует сдвигу равновесия в

Эксперименты на клеточных линиях показа

сторону образования имино таутомера цитози

ли снижение общего уровня трансляции в мито

на [75]. Таким образом, мт тРНК^Met может узна

хондриях, а также уменьшение интенсивности

вать не только AUG, но и AUA кодоны (рис. 5).

дыхания в клетках с каталитически неактивной

Кроме того, описано узнавание мт тРНК^Met

мутантной формой NSUN3. При этом в таких

инициаторного кодона AUU мРНК ND2. Так

клетках наблюдается усиленный биогенез мито

как в митохондриях человека закодировано 13

хондрий, что вероятно, является механизмом

белков, и в соответствующих мРНК присутству

компенсации нарушенной митохондриальной

ют 167 кодонов AUA и 40 кодонов AUG, подоб

трансляции. Кроме того, NSUN3 принимает не

ное изменение специфичности антикодона

посредственное участие в процессе дифферен

ключевым образом отражается на эффективнос

цировки эмбриональных стволовых клеток [77].

Рис. 5. Узнавание AUG и AUA кодонов митохондриальной тРНК^Met. Слева - положение 5 формилцитозина в мт тРНК^Met,

справа - комплементарные пары оснований, образующиеся с участием амино (сверху) и имино (снизу) таутомерных

форм 5 формилцитозина соответственно

БИОХИМИЯ том 84 вып. 8 2019

РНК С5 МЕТИЛТРАНСФЕРАЗЫ

1089

Об этом свидетельствует скачкообразное увели

MTERF4 принимают активное участие в регуля

чение уровня экспрессии NSUN3 при запуске

ции терминации транскрипции в митохондри

дифференцировки, а также существенные изме

ях, в то время как для MTERF4 подобная актив

нения в экспрессии ряда маркеров дифферен

ность на настоящий момент неизвестна. Комп

цировки в клетках с мутантной формой NSUN3,

лекс NSUN4 MTERF4 необходим для ассоциа

причем наиболее ярко этот эффект проявлялся

ции рибосомных субчастиц в зрелые рибосомы,

для клеток нейроэктодермы.

и нарушения в его структуре приводят к увели

При анализе функций метилтрансферазы

чению эффективности синтеза рибосомных

NSUN3 на уровне целого организма следует

субчастиц без соответствующего увеличения ко

учитывать, что уровень ее экспрессии и место

личества зрелых рибосом.

локализации (митохондриальный матрикс) не

Особенностью метилтрансферазы NSUN4

зависят от типа ткани, в то время как для диок

является отсутствие РНК связывающего доме

сигеназы ABH1 характерны как широкий диа

на, функцию которого выполняет MTERF4.

пазон экспрессии, так и различная внутрикле

Интересно, что в клетке белок MTERF4 преи

точная локализация. Таким образом, для раз

мущественно связывает 16S рРНК и в значи

личных тканей можно ожидать различную сте

тельно меньшей степени, 12S рРНК и 7S РНК.

пень модификации цитозина С34 в мт тРНК^Мet

Последний факт указывает на то, что MTERF4

и, следовательно, различную степень выражен

находится в клетке не только в виде комплексов

ности эффекта. У человека описан ряд мутаций,

с рРНК, но также может располагаться в непо

приводящих к сбою рамки считывания и преж

средственной близости от промотора L цепи

девременным стоп кодонам в области катали

мтДНК и выполнять на настоящий момент еще

тического домена NSUN3 [78]. Такие мутации

не известные функции в регуляции митохонд

вызывают у их носителей симптомы, характер

риальной транскрипции. Для комплекса

ные для нарушений функционирования мито

NSUN4 MTERF4 показана способность мети

хондриальной дыхательной цепи и окислитель

лировать 16S рРНК in vitro, при этом положение

ного фосфорилирования в клетках скелетной

модификации пока не определено.

мускулатуры. А именно, у таких пациентов

Известно, что сборка рибосом является

встречаются микроцефалия, умственная отста

крайне сложным процессом, в ходе которого

лость, лактозный ацидоз, потеря слуха и патоло

рибосомная РНК претерпевает множество кон

гическая мышечная слабость. В фибробластах

формационных изменений, некоторые из кото

пациентов с мутантными формами NSUN3 наб

рых стабилизируются исключительно за счет

людаются дефекты митохондриальной трансля

взаимодействия с рибосомными белками или

ции, которые нивелируются экзогенной

факторами сборки рибосом. Предложенная ав

экспрессией каталитически активной NSUN3.

торами [79] модель предполагает, что на опреде

К описанному выше фенотипу приводят

ленном этапе биогенеза большой субчастицы

также мутации в области антикодоновой петли

рибосомы происходит связывание 16S рРНК c

мт тРНК^Мet, нарушающие формирование двой

комплексом NSUN4 MTERF4, что препятству

ной спирали РНК и, следовательно, препятству

ет ассоциации субчастиц. При дальнейшем со

ющие узнаванию NSUN3 антикодонового стеб

зревании большой субчастицы вновь происхо

ля и протеканию метилтрансферазной реакции.

дит конформационная перестройка, на этот раз

Таким образом, мутации как в NSUN3, так и в

с диссоциацией комплекса и активацией боль

его мишени приводят к сходным эффектам, что

шой субчастицы рибосомы. Таким образом, свя

свидетельствует о ключевой роли катализируе

зываясь с 16S рРНК во время ее созревания,

мого NSUN3 метилирования мт тРНК^Мet в про

NSUN4 MTERF4 участвует в «контроле качест

цессе трансляции в митохондриях.

ва» рибосом, допуская к процессу трансляции

NSUN4. Эукариотическая метилтрансфераза

только зрелые формы большой субчастицы.

NSUN4 представлена в многоклеточных эука

Другой важной функцией NSUN4 является

риотах и играет важную роль в биогенезе мито

метилирование цитозина С841 в составе 12S

хондриальных рибосом. Подобно метилтранс

рРНК малой субчастицы рибосомы. В отличие

феразе NSUN3, белок NSUN4 локализуется в

от аналогичной ситуации с 16S рРНК большой

митохондриальном матриксе, и в настоящее

субчастицы, для протекания данной реакции

время для него известны две функции в процес

NSUN4 не требуется партнер MTERF4, и удале

се созревания рибосом [79]. Так, интересной

ние гена MTERF4 не сказывается на статусе ме

особенностью NSUN4 является образование

тилирования С841. Функция цитозина m⁵C841,

прочного (К_д = 13,3 нМ) комплекса с белком из

как и многих других минорных оснований в со

семейства факторов терминации митохондри

ставе рРНК, сейчас еще недостаточно изучена,

альной транскрипции MTERF4. Гомологи

однако считается, что он, наряду с m⁶A936 и

БИОХИМИЯ том 84 вып. 8 2019

1090

КУЗНЕЦОВА и др.

m⁶A937, принимает участие в стабилизации

структуры малой субчастицы рибосомы. На

рис. 6 схематично представлены оба описанных

пути, по которым NSUN4 регулирует процесс

биогенеза рибосом.

Структура комплекса NSUN4 MTERF4 как

в присутствии, так и в отсутствии S аденозил L

метионина была определена методом рентгено

структурного анализа независимо двумя группа

ми (рис. 3, в) [80, 81]. В результате анализа дан

ных РСА был подтвержден двухцистеиновый

механизм метилирования цитозина. Согласно

этим данным, карбоксильная группа S адено

зил L метионина расположена в кармане, обра

зованном четырьмя атомами азота, что обеспе

чивает его жесткую фиксацию в активном цент

ре и корректное расположение метильной груп

пы. Каталитически активные цистеины С258 и

С310, находящиеся в пространственно сближе

ных петлях, расположены в непосредственной

близости от донорной метильной группы. Белки

Рис.

6. Роль РНК (цитозин С5) метилтрансферазы

NSUN4 и MTERF4 связаны в комплексе как по

NSUN4 в созревании митохондриальных рибосом. Сле

лярными, так и гидрофобными взаимодействи

ва - NSUN4 независимо от MTERF4 проводит метилиро

ями. Водородные связи между ними ограничи

вание C841 12S рРНК; справа - ассоциация комплекса

вают своеобразную треугольную площадь, внут

NSUN4 MTERF4 с 16S рРНК препятствует ассоциации

ри которой сосредоточено большинство гидро

субчастиц до их полного созревания, внизу - на последнем

этапе биогенеза происходит диссоциация комплексов

фобных контактов. Значительная часть амино

NSUN4 MTERF4 и ассоциация зрелых субчастиц в функ

кислотных остатков, формирующих область

ционально активные рибосомы

взаимодействия белков, являются высококон

сервативными, а случаи замен - компенсатор

ными, то есть происходят одновременно на двух

ного развития [82]. В то же время, инактивация

белках без серьезного изменения результирую

данного гена во взрослых особях в кардиомио

щего взаимодействия. В результате анализа

цитах и клетках скелетных мышц приводила к

структуры комплекса NSUN4 MTERF4 [80]

резкому снижению продолжительности жизни,

был предложен механизм связывания и метили

которая не превышла 25 недель. Кроме того, у

рования РНК. Так, на поверхности белка

таких мышей развивается прогрессирующая

NSUN4, выполняющего функцию связывания

кардиомиопатия, что ассоциируется с феноти

РНК, имеется желоб, образованный положи

пом, обусловленным нарушениями экспрессии

тельно заряженными аминокислотами, который

генов, ответственных за протекание окисли

ведет в активный центр фермента. Этот желоб

тельного фосфорилирования. В митохондриях

может представлять собой путь, по которому

резко уменьшалось количество белков, закоди

движется РНК при связывании с комплексом

рованных митохондриальной ДНК, в то время

NSUN4 MTERF4. В пользу этого предположе

как уровень экспрессии комлекса II дыхатель

ния свидетельствует тот факт, что белки семей

ной цепи, кодируемого только ядерной ДНК, не

ства MTERF являются высококонсервативны

менялся, что свидетельствует об угнетении иск

ми, и для MTERF1 доказано сродство к двуце

лючительно митохондриальной трансляции.

почечной РНК. Возможно, именно в составе

Таким образом, эукариотическая РНК (ци

двойной спирали происходит связывание доста

тозин С5) метилтрансфераза NSUN4, подобно

точно сложно пространственно организованной

метилтрансферазе NSUN3, является важным

рРНК с положительно заряженным желобом на

регулятором процесса митохондриальной

поверхности комплекса NSUN4 MTERF4.

трансляции. Принимая независимое участие в

К тому же, ширина этого желоба достаточна для

процессах созревания обеих рибосомных суб

связывания двуцепочечной РНК.

частиц, NSUN4 регулирует их скоординирован

Нарушения в описанных выше процессах с

ную сборку в функциональные рибосомы.

участием NSUN4 могут иметь негативные по

NSUN5. Метилтрансфераза NSUN5 встреча

следствия. Так, инактивация гена NSUN4 в мы

ется как в одно , так и в многоклеточных эука

шах является летальной на стадии эмбриональ

риотических организмах и проявляет высокую

БИОХИМИЯ том 84 вып. 8 2019

РНК С5 МЕТИЛТРАНСФЕРАЗЫ

1091

консервативность первичной структуры. Ее

гомологов NSUN5. При этом размер особей и их

дрожжевой гомолог Rcm1 локализуется в яд

фертильность остаются неизменными.

рышке и принимает участие в образовании

Учитывая высокое сходство Rcm1 S. cerevisiae

5 метилцитозина m⁵C2278 в 25S рРНК [46]. По

и NSUN5 H. sapiens, а также соответствующих

результатам анализа первичной структуры ката

участков рРНК, предположительной функцией

литически активными являются Cys404 и Cys330

NSUN5 у человека является образование

из VI и IV мотивов соответственно. Установле

m⁵C3782 в 28S рРНК, что, несомненно, требует

но, что замена цистеина Cys404 на аланин не

подтверждения. Дополнительным указанием на

имеет критических последствий для жизнедея

подобную функцию NSUN5 является его коим

тельности клеток, в то время как замена Cys330

мунопреципитация с рРНК [84]. Интересно от

является летальной, что связано, как уже упо

метить, что NSUN5 является одним из группы

миналось ранее, с образованием непродуктив

генов, делеция которых у человека ассоцииро

ного ковалентного комплекса РНК белок с по

вана с возникновением синдрома Вильям

следующим исключением РНК из дальнейшего

са-Бойрена - редкого генетического заболева

биогенеза (рис. 1, а). Аналогичный результат

ния, характеризующегося задержкой умствен

был получен при замене каталитического цисте

ного развития, а также рядом других системных

ина из IV мотива дрожжевой метилтрансферазы

нарушений. Вероятная роль гена NSUN5 в воз

Nop2, также метилирующей 25S рРНК. Резуль

никновении данного синдрома послужила при

таты in silico моделирования 3D структуры Rcm1

чиной его альтернативного названия

подтвердили наличие РНК связывающего и ме

WBSCR20 (WBSCR - Williams-Beuren syndrome

тилтрансферазного доменов, а также располо

critical region - участок хромосомы, делеция ко

жение каталитических цистеинов в активном

торого ассоциирована с синдромом Вильям

центре.

са-Бойрена). Также у человека существуют еще

5 Метилцитозин m⁵C2278 25S рРНК распо

две копии данного гена, возникшие, вероятно, в

лагается вблизи пептидилтрансферазного цент

результате дупликации гена NSUN5

ра большой субчастицы рибосомы. Результаты

WBSCR20B (nsun5P1) и WBSCR20C (nsun5P2).

химического зондирования (пробинга) указыва

Последние кодируют укороченные формы бел

ют на его влияние на укладку 25S рРНК в усло

ка NSUN5 (который по аналогии также называ

виях окислительного стресса. Отсутствие мети

ют WBSCR20A), и, в отличие от полноразмер

лирования C2278 не влияет на скорость роста

ной формы, не имеют гомологов в других живых

S. cerevisiae, однако вызывает гиперчувствитель

организмах.

ность к антибиотику анизомицину. Кроме того,

Таким образом, для гомологов NSUN5 пока

установлено, что наличие m⁵C2278 непосред

зано участие в образовании 5 метилцитозина в

ственно влияет на возникновение рибосомного

рРНК большой субчастицы рибосомы. Данная

ответа на окислительный стресс. Удаление гена

модификация влияет на регуляцию ответа на

Rcm1 приводит к усиленной трансляции ряда

различные виды стресса и является одним из

мРНК стрессового ответа, таких как мРНК фак

крайне малочисленных примеров, когда моди

торов регуляции клеточного цикла и компонен

фикация единственного нуклеотида рРНК име

тов системы репарации ДНК, даже в условиях

ет конкретные фенотипические проявления.

отсутствия стресса. Таким образом, согласно

Для ряда модельных организмов показана связь

данным некоторых авторов [83], метилтрансфе

активности гомологов NSUN5 с продолжитель

раза Rcm1 подавляет индукцию стрессовых ге

ностью жизни, однако функциональная роль

нов. В клетке присутствуют две субпопуляции

NSUN5 у человека и его взаимосвязь с возник

рибосом - имеющие и не имеющие минорного

новением синдрома Вильямса-Бойрена явля

цитозина m⁵C2278 [83]. При хроническом стрес

ются предметом дальнейших исследований.

се увеличивается доля субпопуляции немоди

NSUN6. Метилтрансфераза NSUN6 пред

фицированных рибосом, эффективно трансли

ставлена в большинстве многоклеточных эука

рующих мРНК компонентов стрессового отве

риот. В результате анализа аминокислотной

та. Для ряда модельных организмов, таких как

последовательности, в NSUN6 можно выделить

C. elegans и D. melanogaster, для которых также

метилтрансферазный домен, а также непосред

было показано участие NSUN5 в образовании

ственно связанный с ним PUA домен, отвечаю

5 метилцитозина в рРНК, удаление NSUN5 при

щий у многих РНК метилтрансфераз за связы

водит к увеличению продолжительности жизни

вание РНК (рис. 2). Доказанными мишенями

до двух раз, в то время как его суперэкспрессия

для NSUN6 являются тРНК^Cys и тРНК^Тhr (как

сокращает продолжительность жизни [83], пред

UGU, так и AGU) [85]. Метилтрансфераза

положительно из за большей устойчивости к

NSUN6 метилирует цитозин С72, находящийся

окислительному стрессу организмов, лишенных

в акцепторном стебле тРНК. Известно, что

БИОХИМИЯ том 84 вып. 8 2019

1092

КУЗНЕЦОВА и др.

тРНК, будучи одними из наиболее модифици

происходило упорядочивание нескольких ранее

рованных молекул РНК в клетке, проходят

неструктурированных участков полипептидной

сложный путь биогенеза от момента транскрип

цепи. Наиболее интересными оказались те из

ции до зрелой формы. После транскрипции

менения, которые при связывании претерпева

РНК полимеразой III пре тРНК подвергаются

ла сама молекула тРНК. На первом этапе ее вза

процессингу 5’ и 3’ концов, сплайсингу, моди

имодействия с NSUN6 происходит расплетание

фикации оснований, нуклеотидилтрансфераз

терминального участка акцепторного стебля,

ной реакции с образованием ССА тринуклеоти

ведущее к разрушению комплементарных пар

да на 3’ конце и только после этого экспорту в

1:72 и 2:71. При этом образующийся одноцепо

цитоплазму. Таким образом, подавляющее боль

чечный фрагмент РНК (U71 A76) приобретает

шинство модификаций тРНК происходят в ядре

структуру U поворота, который взаимодейству

и ответственные за них ферменты имеют преи

ет с местом соединения PUA и каталитического

мущественно ядерную локализацию. Однако

доменов в NSUN6 и способствует сближению

для NSUN6 данная закономерность не харак

C72 с активным центром. Такой механизм объ

терна. Этот белок локализуется в цитоплазме,

ясняет, почему для успешного каталитического

причем значительная его доля сосредоточена в

процесса необходимо наличие двух водородных

аппарате Гольджи и перицентриолярном прост

связей в паре 2:71 и трех водородных связей в

ранстве. Таким образом, имеются основания

3:70. Действительно, разрушение пары 2:71 в та

полагать, что мишенями NSUN6 являются экс

ком случае произойдет с меньшими энергети

портированные в цитоплазму молекулы тРНК,

ческими затратами, а прочная связь в паре 3:70

уже имеющие большинство необходимых моди

препятствует дальнейшему расплетанию акцеп

фикаций и правильно сформированную третич

торного участка, которое может привести к зна

ную структуру.

чительным конформационным изменениям в

Метилтрансфераза NSUN6, в отличие от

молекуле тРНК. Кроме того, данные рентгено

NSUN2, имеет узкую субстратную специфич

структурного анализа свидетельствуют о двой

ность, метилируя лишь тРНК^Cys и тРНК^Тhr. Это

ственной роли PUA домена в процессе образо

может свидетельствовать о том, что данные

вания комплекса. Во первых, PUA домен отве

тРНК имеют ряд структурных особенностей,

чает за связывание мотива CCA 3’ конца тРНК

которые отличают их от остальных тРНК. Путем

с помощью сложной системы взаимодействий,

мутагенеза различных тРНК и анализа способ

где узнавание каждого нуклеотида обеспечива

ности их метилирования метилтрансферазой

ется одновременно несколькими аминокисло

NSUN6 in vitro и in vivo, был определен ряд

тами. Во вторых, происходит специфическое

свойств, которыми должна обладать тРНК для

связывание участка D петли тРНК бороздкой

успешного протекания каталитической реакции

PUA домена, сформированной положительно

[86]. Так, было установлено, что метилированию

заряженными аминокислотными остатками

подвергаются исключительно полноразмерные

(рис. 3, г).

и правильно свернутые тРНК, что подтверждает

Детальное изучение активного центра

действие NSUN6 на позднем этапе биогенеза

NSUN6 позволило установить важную роль в

тРНК. Обязательным условием является нали

катализе высококонсервативных аминокислот

чие ССА тринуклеотида на 3’ конце и уридина в

ных остатков Lys248, Asp323, Cys326 и Cys373 и

положении 73. Кроме того, вторая комплемен

подтвердить роль Сys373 как нуклеофила на

тарная пара акцепторного стебля (2:71) должна

первой стадии катализа, а Сys326 - как основа

формироваться двумя водородными связями, а

ния в последующей реакции β элиминирова

третья комплементарная пара (3:70) - тремя во

ния. Кроме того, ряд экспериментальных дан

дородными связями. Также в непосредственное

ных указывает на возможность существования

взаимодействие с NSUN6 вовлечены пары 11:24

дисульфидной связи Сys373 Сys326, что требует

и 12:23, находящиеся в области D петли тРНК.

дальнейшего подтверждения.

Авторами [86] была предложена модель связы

К настоящему времени нет данных о том,

вания NSUN6 с тРНК^Cys(GCA). В дальнейшем с

как отсутствие или функциональные наруше

помощью РСА была определена структура апо

ния в структуре NSUN6 могут влиять на жизне

фермента NSUN6 и его комплекса с тРНК^Cys и

деятельность организмов, однако существуют

S аденозил L метионином (рис. 3, г), в значи

данные о его участии в развитии метастазов в

тельной степени улучшено понимание как про

костях при раке молочной железы [88]. Также

цесса узнавания тРНК, так и катализа [87]. Так,

известно, что NSUN6 в составе рибонуклеопро

при связывании NSUN6 с молекулой тРНК^Cys

теидного комплекса LLGL2 MAYA РНК

отсутствовали принципиальные изменения

NSUN6 принимает участие в метилировании

структуры фермента, за исключением того, что

лизина Lys59 киназы MST1, подавляющего ак

БИОХИМИЯ том 84 вып. 8 2019

РНК С5 МЕТИЛТРАНСФЕРАЗЫ

1093

тивность этой киназы и таким образом влияю

графии заметна аномалия структуры спирали

щего на активность фактора транскрипции YAP

митохондрий. Подобная взаимосвязь мутаций в

и экспрессию генов, ответственных за развитие

гене NSUN7 и структуры сперматозоидов описа

опухоли. Таким образом, NSUN6 может иметь в

на и для человека. Так, с астеноспермией ассо

клетке функции, отличные от РНК метилтранс

циированы делеция A11337 в экзоне 4, а также

феразной активности и делающие его перспек

замена T26248G в экзоне 7 [91, 92].

тивным кандидатом для разработки противо

В клетках гепатомы Hepa 1 6 белок NSUN7

опухолевых препаратов.

был охарактеризован как компонент комплекса

NSUN7. РНК (цитозин С5) метилтрансфе

с коактиватором транскрипции PGC 1α [93].

раза NSUN7 является седьмым и последним

Последний является ключевым регулятором

представителем семейства NOL1/Nop2/Sun

различных метаболических путей в клетке,

РНК метилтрансфераз у млекопитающих.

включая биогенез митохондрий. Для ряда ге

К настоящему времени мишени и функцио

нов мишеней PGC 1α, таких как ген 6 фос

нальная роль этого белка плохо изучены. Со

фофруктокиназы PFKL, сиртуина SIRT5, изо

гласно данным транскриптомного анализа тка

цитратдегидрогеназы IDH3b и гемоксигеназы

ней M. musculus и H. sapiens, мРНК NSUN7 нахо

HMOX2 была показана ассоциация PGC 1α не

дится в семенниках. В пределах семенников она

только с сайтами инициации транскрипции, но

ограничена сперматоцитами и сперматидами и

и с энхансерными последовательностями соот

практически отсутствует в сперматогониях и

ветствующих генов. В последнем случае PGC

клетках Сертоли [89]. У мышей описана мута

1α способствует транскрипции энхансерных

ция Ste5Jcs1, индуцированная воздействием

участков, результатом которой являются корот

N нитрозоэтилмочевины и приводящая к воз

кие некодирующие энхансерные РНК, участву

никновению преждевременного стоп кодона

ющие в in cis активации транскрипции соответ

перед метилтрансферазным доменом [90]. Осо

ствующих генов. В составе энхансерных РНК

би, обладающие подобной мутацией, являются

упомянутых выше генов были обнаружены ос

стерильными либо субфертильными. Спермато

татки 5 метилцитозина, а нокдаун NSUN7 с по

зоиды таких мышей имеют характерный фено

мощью РНК интерференции приводил к сниже

тип: вследствие повышенной жесткости средне

нию степени их метилирования. Кроме того,

го сегмента они двигаются по круговой траекто

наблюдалось резкое снижение количества мети

рии. Кроме того, на электронной микрофото

лирумых энхансерных РНК и мРНК соответ

Рис. 7. РНК мишени и внутриклеточная локализация эукариотических РНК (цитозин С5) метилтрансфераз. 40S и 60S -

обозначение малой и большой субъединиц рибосомы соответственно; 28S и 39S - обозначение малой и большой субъ

единиц митохондриальной рибосомы, эРНК - энхансерная РНК, втРНК - РНК компонент рибонуклеопротеиновой

частицы Vault, РНКП II - РНК полимераза II. Черным кружком обозначены остатки 5 метилцитозина

БИОХИМИЯ том 84 вып. 8 2019

1094

КУЗНЕЦОВА и др.

ствующих им генов, что может свидетельство

лостью, а также вызывают синдром Дубовица

вать о положительном влиянии 5 метилцитози

[73]. Делецию гена NSUN5 ассоциируют с воз

на на их стабильность.

никновением синдрома Вильямса-Бойрена -

редкого генетического заболевания, характери

Несмотря на широкую распространенность

зующегося задержкой умственного развития, а

5 метилцитозина в РНК эукариотических орга

также рядом других системных нарушений. Ус

низмов, к настоящему времени известно только

тановлено, что мутации в области каталитичес

восемь эукариотических РНК С5 метилтранс

кого домена NSUN3 вызывают микроцефалию,

фераз. Они функционируют в ядре, цитоплазме

умственную отсталость, лактозный ацидоз, по

и митохондриях клетки, поддерживая профиль

терю слуха и патологическую мышечную сла

метилирования РНК и обеспечивая (наряду с

бость [78]. Делецию A11337 в экзоне 4 и замену

другими ферментами нуклеинового обмена)

T26248G в экзоне 7 гена NSUN7 ассоциируют с

формирование фенотипа клеток и организма в

астеноспермией [91, 92]. Все эти данные подтве

целом (рис. 7). В подавляющем большинстве их

рждают исключительную важность РНК (цито

РНК мишенями являются компоненты транс

зин С5) метилтрансфераз для обеспечения нор

ляционного аппарата (рРНК и тРНК), в том чис

мальной жизнедеятельности организмов.

ле митохондриального (NSUN3, NSUN4) (рис. 7).

Таким образом, достижения структурной и

Значительная часть метилированных остатков

молекулярной биологии последнего десятиле

цитозина находится в непосредственной близос

тия существенно расширили наши знания об

ти от функционально значимых центров рибосо

РНК (цитозин С5) метилтрансферазах - фер

мы, что влияет на эффективность и точность

ментах, участвующих в посттранскрипционной

прохождения различных этапов трансляции и

модификации РНК. Стало возможным получать

тем самым на регуляцию клеточных механизмов,

детальную информацию об этих сложно органи

основанных на трансляции.

зованных биологических объектах, что является

Помимо функций, связанных непосред

важным шагом на пути к пониманию их молеку

ственно с метилированием цитозина в РНК,

лярной функции и роли в эволюции и развитии

РНК (цитозин С5) метилтрансферазы выпол

болезней человека. Эти достижения совместно с

няют многочисленные функции, не связанные с

достижениями биоорганической химии, экспе

метилированием. Так, DNMT2 оказывает влия

риментальной и клинической медицины позво

ние на продолжительность жизни ряда организ

ляют надеяться, что со временем появятся но

мов и устойчивость к различным видам стресса

вые эффективные и доступные методы диагнос

[41], а также на процесс эпигенетического нас

тики и терапии ассоциированных с нарушения

ледования [43]. Метилтрансферазы NSUN1,

ми работы РНК (цитозин С5) метилтрансфераз

NSUN2 и NSUN3 участвуют в дифференциров

заболеваний, что приведет к увеличению про

ке и пролиферации клеток [52-54, 69, 70, 77],

должительности и улучшению качества жизни

NSUN3 - в регуляции работы митохондриаль

человека.

ной дыхательной цепи и окислительного фос

форилирования в клетках скелетной мускулату

ры [78], NSUN4 - в биогенезе митохондриаль

Финансирование. Обзор подготовлен при

ных рибосом [79], гомологи NSUN5 в C. elegans

финансовой поддержке Российского научного

и D. melanogaster - в модуляции продолжитель

фонда (проект 17 75 30027) и Российского фон

ности жизни организма [83].

да фундаментальных исследований (проект 17

Нарушение функций РНК (цитозин С5)

00 00366).

метилтрансфераз у человека сопряжено с раз

Конфликт интересов. Авторы заявляют об от

личными заболеваниями. Так, NSUN6 участвует

сутствии конфликта интересов.

в развитии метастазов в костях при раке молоч

Соблюдение этических норм. Настоящая

ной железы [88] и в экспрессии генов, ответ

статья не содержит описания каких либо иссле

ственных за развитие опухоли. Мутации в гене

дований с использованием людей или животных

NSUN2 ассоциированы с умственной отста

в качестве объектов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Boccaletto, P., Machnicka, M.A., Purta, E., Piatkowski, P.,

pathways. 2017 update, Nucleic Acids Res., 46, 303-307,

Baginski, B., Wirecki, T.K., de Crécy Lagard, V., Ross, R.,

doi: 10.1093/nar/gkx1030.

Limbach, P.A., Kotter, A., Helm, M., and Bujnicki, J.M.

Chen, Y., Sierzputowska Gracz, H., Guenther, R.,

(2018) MODOMICS: a database of RNA modification

Everett, K., and Agris, P.

(1993)

5 Methylcytidine is

БИОХИМИЯ том 84 вып. 8 2019

РНК С5 МЕТИЛТРАНСФЕРАЗЫ

1095

required for cooperative binding of Mg²⁺ and a conforma

genomic and proteomic sequences, Nucleic Acids Res., 27,

tional transition at the anticodon stem loop of yeast

3138-3145, PMID: 10454610.

phenylalanine tRNA, Biochemistry, 32, 10249-10253,

17.

Walbott, H., Husson, C., Auxilien, S., and Golinelli

PMID: 8399153.

Pimpaneau, B. (2007) Cysteine of sequence motif VI is

Gowher, H., and Jeltsch, A. (2018) Mammalian DNA

essential for nucleophilic catalysis by yeast tRNA m⁵C

methyltransferases: new discoveries and open questions,

methyltransferase, RNA, 13, 967-973, doi: 10.1261/

Biochem. Soc. Trans., 46, 1191-1202, doi: 10.1042/

rna.515707.

BST20170574.

18.

Liu, Y., and Santi, D. (2000) m5C RNA and m5C DNA

Trixl, L., and Lusser, A. (2019) The dynamic RNA modifi

methyltransferases use different cysteine residues as cata

cation 5 methylcytosine and its emerging role as an epi

lysts, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 97, 8263-8265, PMID:

transcriptomic mark, Wiley Interdiscip. Rev. RNA, 10,

10899996.

e1510, doi: 10.1002/wrna.1510.

19.

Zhang, X., and Bruice, T. (2006) The mechanism of

Bohnsack, K.E., Höbartner, K., and Bohnsack, M.T.

M.HhaI DNA C5 cytosine methyltransferase enzyme: a

(2019) Eucaryotic 5 methylcytosine (m5C) RNA methyl

quantum mechanics/molecular mechanics approach,

transferases: mechanisms, cellular functions, and links to

Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 103, 6148-6153, doi: 10.1073/

disease, Genes, 10, 102, doi: 10.3390/genes10020102.

pnas.0601587103.

Schaefer, M., Pollex, T., Hanna, and K., and Lyko, F.

20.

Gu, X., Gustafsson, C., Ku, J., Yu, M., and Santi, D.

(2009) RNA cytosine methylation analysis by bisulfite

(1999) Identification of the 16S rRNA m5C967 methyl

sequencing, Nucleic Acids Res., 37, e12, doi: 10.1093/

transferase from Escherichia coli, Biochemistry,

38,

nar/gkn954.

4053-4057, doi: 10.1021/bi982364y.

Edelheit, S., Schwartz, S., Mumbach, M., Wurtzel, O.,

21.

Lesnyak, D.V., Osipiuk, J., Skarina, T., Sergiev, P.V.,

and Sorek, R. (2013) Transcriptome wide mapping of

Bogdanov, A.A., Edwards, A., Savchenko, A., Joachimiak, A.,

5 methylcytidine RNA modifications in bacteria, archaea,

and Dontsova, O.A. (2007) Methyltransferase that modi

and yeast reveals m(5)C within archaeal mRNAs, PLoS

fies guanine 966 of the 16 S rRNA: functional identifica

Genet., 9, e1003602, doi: 10.1371/journal.pgen.1003602.

tion and tertiary structure, J. Biol. Chem., 282, 5880-5887,

Khoddami, V., and Cairns, B. (2013) Identification of direct

doi: 10.1074/jbc.M608214200.

targets and modified bases of RNA cytosine methyltrans

22.

Tscherne, J., Nurse, K., Popienick, P., Michel, H.,

ferases, Nat Biotechnol., 31, 458-464, doi: 10.1038/nbt.2566.

Sochacki, M., and Ofengand, J. (1999) Purification,

George, H., Ule, J., and Hussain, S. (2017) Illustrating the

cloning, and characterization of the 16S RNA m5C967

Epitranscriptome at Nucleotide Resolution Using

methyltransferase from Escherichia coli, Biochemistry, 38,

Methylation iCLIP (miCLIP), Methods Mol. Biol., 1562,

1884-1892, doi: 10.1021/bi981880l.

91-106, doi: 10.1007/978 1 4939 6807 7_7.

23.

Weitzmann, C., Tumminia, S., Boublik, M., and

10.

Squires, J., Patel, H., Nousch, M., Sibbritt, T.,

Ofengand, J. (1991) A paradigm for local conformational

Humphreys, D., Parker, B.J., Suter, C.M., and Preiss, T.

control of function in the ribosome: binding of ribosomal

(2012) Widespread occurrence of 5 methylcytosine in

protein S19 to Escherichia coli 16S rRNA in the presence of

human coding and non coding RNA, Nucleic Acids Res.,

S7 is required for methylation of m2G966 and blocks

40, 5023-2033, doi: 10.1093/nar/gks144.

methylation of m5C967 by their respective methyltrans

11.

Hoernes, T., Clementi, N., Faserl, K., Glasner, H.,

ferases, Nucleic Acids Res., 19, 7089-7095, PMID:

Breuker, K., and Lindner, H. (2016) Nucleotide modifica

1766869.

tions within bacterial messenger RNAs regulate their trans

24.

Foster, P., Nunes, C., Greene, P., Moustakas, D., and

lation and are able to rewire the genetic code, Nucleic Acids

Stroud, R. (2003) The first structure of an RNA m5C

Res., 44, 852-862, doi: 10.1093/nar/gkv1182.

methyltransferase, Fmu, provides insight into catalytic

12.

Dominissini, D., Nachtergaele, S., Moshitch Moshkovitz, S.,

mechanism and specific binding of RNA substrate,

Peer, E., Kol, N., Ben Haim, M.S., Dai, Q., Di Segni, A.,

Structure, 11, 1609-1620, doi: 10.1016/j.str.2003.10.014.

Salmon Divon, M., Clark, W.C., Guanqun Zheng, G.,

25.

Burakovsky, D., Prokhorova, I., Sergiev, P., and Milуn, P.

Pan, T., Solomon, O., Eran Eyal, E., Hershkovitz, V., Han,

(2012) Impact of methylations of m2G966/m5C967 in 16S

D., Doré, L.C., Amariglio, N., Rechavi, G., and He, C.

rRNA on bacterial fitness and translation initiation,

(2016) The dynamic N1 methyladenosine methylome in

Nucleic Acids Res., 40, 7885- 7895, doi: 10.1093/nar/

eukaryotic messenger RNA, Nature, 530, 441-446,

gks508.

doi: 10.1038/nature16998.

26.

Prokhorova, I., Osterman, I., Burakovsky, D., and

13.

Amort, T., Rieder, D., Wille, A., Khokhlova Cubberley, D.,

Serebryakova, M.

(2013)

Modified nucleotides

Riml, C., Trixl, L., Jia, X.Y., Micura, R., and Lusser, A.

m²G966/m⁵C967 of Escherichia coli 16S rRNA are

(2017) Distinct 5 methylcytosine profiles in poly(A) RNA

required for attenuation of tryptophan operon, Sci. Rep., 3,

from mouse embryonic stem cells and brain, Genome Biol.,

3236, doi: 10.1038/srep03236.

18, 1, doi: 10.1186/s13059 016 1139 1.

27.

Andersen, N., and Douthwaite, S. (2006) YebU is a m⁵C

14.

Amort, T., Souliиre, M., Wille, A., Jia, X., Fiegl, H.,

methyltransferase specific for 16 S rRNA nucleotide 1407,

Wörle, H., Micura, R., and Lusser, A. (2013) Long non

J. Mol. Biol., 359, 777-786, doi: 10.1016/j.jmb.2006.04.007.

coding RNAs as targets for cytosine methylation, RNA

28.

Hallberg, B., Ericsson, U., Johnson, K., Andersen,

Biol., 10, 1003-1008, doi: 10.4161/rna.24454.

N., Douthwaite, S., Nordlund, P., Beuscher A.E., and

15.

Yang, X., Yang, Y., Sun, B., Chen, Y., Xu, J., Lai, W., Li, A.,

Erlandsen, H. (2006) The structure of the RNA m5C

Wang, X., Bhattarai, D.P., Xiao, W., Sun, H. Y., Zhu, Q.,

methyltransferase YebU from Escherichia coli reveals a

Hai Li Ma, H. L., Adhikari, S., Sun, M., Hao, Y. J., Bing

C terminal RNA recruiting PUA domain, J. Mol. Biol.,

Zhang, B., Chun Min Huang, C. M., Huang, N., Jiang, G. B.,

360, 774-787, doi: 10.1016/j.jmb.2006.05.047.

Zhao, Y. L., Wang, H. L., Sun, Y. P., and Yang, Y. G.

29.

Purta, E., O’Connor, M., Bujnicki, J., and Douthwaite, S.

(2017)

5 Methylcytosine promotes mRNA export -

(2008) YccW is the m5C methyltransferase specific for 23S

NSUN2 as the methyltransferase and ALYREF as an m5C

rRNA nucleotide 1962, J. Mol. Biol., 383, 641-651,

reader, Cell Res., 27, 606-625, doi: 10.1038/ cr.2017.55.

doi: 10.1016/j.jmb.2008.08.061.

16.

Reid, R., Greene, P., and Santi, D. (1999) Exposition of a

30.

Sunita, S., Tkaczuk, K., Purta, E., Kasprzak, J.,

family of RNA m(5)C methyltransferases from searching

Douthwaite, S., Bujnicki, and J., Sivaraman, J. (2008)

БИОХИМИЯ том 84 вып. 8 2019

1096

КУЗНЕЦОВА и др.

Crystal structure of the Escherichia coli 23S rRNA:m5C

Zhai, Q., and Zhou, Q. (2016) Sperm tsRNAs contribute

methyltransferase RlmI (YccW) reveals evolutionary links

to intergenerational inheritance of an acquired metabolic

between RNA modification enzymes, J. Mol. Biol., 383,

disorder, Science,

351,

397-400, doi:

10.1126/

652-666, doi: 10.1016/j.jmb.2008.08.062.

science.aad7977.

31.

Rodriguez, V., Vasudevan, S., Noma, A., Carlson, B., Green,

44.

Sardana, R., and Johnson, A. (2012) The methyltrans

J., Suzuki, T, and Chandrasekharappa, S.C.

(2012)

ferase adaptor protein Trm112 is involved in biogenesis of

Structure function analysis of human TYW2 enzyme

both ribosomal subunits, Mol. Biol. Cell., 23, 4313-4322,

required for the biosynthesis of a highly modified

doi: 10.1091/mbc.E12 05 0370.

Wybutosine (yW) base in phenylalanine tRNA, PLoS One,

45.

Vasilieva, E.N., Laptev, I.G., Sergiev, P.V., and Dontsova, O.A.

7, e39297, doi: 10.1371/journal.pone.0039297.

(2018) The common partners of several methyltransferases

32.

Jurkowski, T., and Jeltsch, A. (2011) On the evolutionary

modifying components of the eukaryotic translation appa

origin of eukaryotic DNA methyltransferases and Dnmt2,

ratus, Mol. Biol. (Mosk.), 52, 975-983, doi: 10.1134/

PLoS One, 6, e28104, doi: 10.1371/journal.pone.0028104.

S0026898418060174.

33.

Goll, M., Kirpekar, F., Maggert, K., Yoder, J., Hsieh, C.,

46.

Sharma, S., Yang, J., Watzinger, P., Kцtter, P., and Entian, K.

Zhang, X., Golic, K., Jacobsen, S., and Bestor, T. (2006)

(2013) Yeast Nop2 and Rcm1 methylate C2870 and C2278

Methylation of tRNA^Asp by the DNA methyltransferase

of the 25S rRNA, respectively, Nucleic Acids Res., 41,

homolog Dnmt2, Science, 311, 395-398, doi: 10.1371/

9062-9076, doi: 10.1093/nar/gkt679.

journal.pone.0028104.

47.

Gustafson, W., Taylor, C., Valdez, B., Henning, D.,

34.

Shanmugam, R., Aklujkar, M., Schдfer, M., Reinhardt, R.,

Phippard, A., Ren, Y., Busch, H., and Durban E. (1998)

Nickel, O., Reuter, G., Lovley, D.R., Ehrenhofer Murray, A.,

Nucleolar protein p120 contains an arginine rich domain

Nellen, W., Ankri, S., Helm, M., Jurkowski, T.P., and

that binds to ribosomal RNA, Biochem. J., 331, 387-393,

Jeltsch, A. (2014) The Dnmt2 RNA methyltransferase

PMID: 9531475.

homolog of Geobacter sulfurreducens specifically methy

48.

Valdez, B.C., Perlaky, L., Henning, D., Saijo, Y., Chan. P.K.,

lates tRNA Glu, Nucleic Acids Res., 42, 6487-6496,

and Busch, H. (1994) Identification of the nuclear and

doi: 10.1093/nar/gku256.

nucleolar localization signals of the protein p120 interac

35.

Schaefer, M., Pollex, T., Hanna, K., Tuorto, F.,

tion with translocation protein B23, J. Biol. Chem., 269,

Meusburger, M., Helm, M., and Lyko, F. (2010) RNA

23776-23783, PMID: 8089149.

methylation by Dnmt2 protects transfer RNAs against

49.

Bourgeois, G., Ney, M., Gaspar, I., Aigueperse, C.,

stress induced cleavage, Genes Dev., 24, 1590-1595,

Schaefer, M., Kellner, S., Helm, M., and Motorin, Y.

doi: 10.1101/gad.586710.

(2015) Eukaryotic rRNA modification by yeast 5 methyl

36.

Haussecker, D., Huang, Y., Lau, A., Parameswaran, P.,

cytosine methyltransferases and human proliferation

Fire, A., and Kay, M. (2010) Human tRNA derived small

associated antigen p120, PLoS One, 10, e0133321,

RNAs in the global regulation of RNA silencing, RNA, 16,

doi: 10.1371/journal.pone.0133321.

673-695, doi: 10.1261/rna.2000810.

50.

Hong, B., Brockenbrough, J., Wu, P., and Aris, P. (1997)

37.

Shanmugam, R., Fierer, J., Kaiser, S., Helm, M.,

Nop2p is required for pre rRNA processing and 60S ribo

Jurkowski, T., and Jeltsch, A. (2015) Cytosine methylation

some subunit synthesis in yeast, Mol. Cell. Biol., 17,

of tRNA Asp by DNMT2 has a role in translation of pro

378-388, PMID: 8972218.

teins containing poly Asp sequences, Cell Discov., 1,

51.

Fonagy, A., Swiderski, C., Wilson, A., Bolton, W.,

15010, doi: 10.1038/celldisc.2015.10.

Kenyon, N., and Freeman, J. (1993) Cell cycle regulated

38.

Zaborske, J., Vanessa, L., DuMont, B., Wallace, E., Pan, T.,

expression of nucleolar antigen P120 in normal and trans

Aquadro, C., and Drummond, A. (2014) A nutrient driven

formed human fibroblasts, J. Cell. Physiol., 154, 16-27,

tRNA modification alters translational fidelity and

PMID: 8419402.

genome wide protein coding across an animal genus, PLoS

52.

Perlaky, L., Valdez, B., Busch, R., Larson, R.,

Biol., 12, e1002015, doi: 10.1371/journal.pbio.1002015.

Jhiang, S., Zhang, W., Brattain, M., and Busch, H. (1992)

39.

Muller, M., Hartmann, M., Schuster, I., Bender, S.,

Increased growth of NIH/3T3 cells by transfection with

Thuring, K., Helm, M., Katze, J., Nellen, W., Lyko, F.,

human p120 complementary DNA and inhibition by a

and Ehrenhofer Murray, A. (2015) Dynamic modulation

p120 antisense construct, Cancer Res., 52, 428-436,

of Dnmt2 dependent tRNA methylation by the micronu

PMID: 1728415.

trient queuine, Nucleic Acids Res., 43, 10952-10962,

53.

Fonagy, A., Swiderski, C., Ostrovsky, A., Bolton, W., and

doi: 10.1093/nar/gkv980.

Freeman, J. (1994) Effect of nucleolar P120 expression

40.

Schaefer, M., Steringer, J., and Lyko, F. (2008) The

level on the proliferation capacity of breast cancer cells,

Drosophila cytosine 5 methyltransferase Dnmt2 is associ

Cancer Res., 54, 1859-1864, PMID: 8137301.

ated with the nuclear matrix and can access DNA during

54.

Khanna Gupta, A., Sun, H., Zibello, T., Lozovatsky, L.,

mitosis, PLoS One, 3, e1414, doi: 10.1371/journal.pone.

Ghosh, P., Link, D., McLemore, M., and Berliner, N.

0001414.

(2006) p120 Nucleolar proliferating antigen is a direct tar

41.

Lin, M., Tang, L., Reddy, M., and Shen C. (2005) DNA

get of G CSF signaling during myeloid differentiation,

methyltransferase gene dDnmt2 and longevity of

J. Leukoc. Biol., 79, 1011-1021, doi: 10.1189/jlb.0205066.

Drosophila, J. Biol. Chem., 280, 861-864, doi: 10.1074/jbc.

55.

Kosi, N., Alić, I., Kolačević, M., Vrsaljko, N., Jovanov,

C400477200.

Milošević, N., Sobol, M., and Mitreči, D. (2015) Nop2 is

42.

Forbes, S., Beare, D., Gunasekaran, P., Leung, K.,

expressed during proliferation of neural stem cells and in

Bindal, N., Boutselakis, H., Ding, M., Bamford, S., Cole, C.,

adult mouse and human brain, Brain Res., 1597, 65-76,

Ward, S., Kok, C.Y., Jia, M., De, T., Teague, J.W.,

doi: 10.1016/j.brainres.

Stratton, M.R., McDermott, U., and Campbell, P.J.

56.

Blanco, S., Dietmann, S., Flores, J. V., Hussain, S.,

(2015) COSMIC: exploring the world’s knowledge of

Kutter, C., Humphreys, P., Lukk, M., Lombard, P.,

somatic mutations in human cancer, Nucleic Acids Res.,

Treps, L., Popis, M., Kellner, S., Hölter, S. M., Garrett, L.,

43, 805-811, doi: 10.1093/nar/gku1075. Epub

2014

Wurst, W., Becker, L., Klopstock, T., Fuchs, H., Gailus

Oct 29.

Durner, V., Hrabě de Angelis, M., Káradуttir, R.T., Helm, M.,

43.

Chen, Q., Yan, M., Cao, Z., Li, X., Zhang, Y., Shi, J.,

Ule, J., Gleeson, J.G., Odom, D.T., and Frye, M. (2014).

Feng, G., Peng, H., Zhang, X., Zhang, Y., Qian, J., Duan, E.,

Aberrant methylation of tRNAs links cellular stress to

БИОХИМИЯ том 84 вып. 8 2019

РНК С5 МЕТИЛТРАНСФЕРАЗЫ

1097

neuro developmental disorders, EMBO J., 33, 2020-2039,

71.

Yi, J., Gao, R., Chen, Y., Yang, Z., Han, P., Zhang, H.,

doi: 10.15252/embj.201489282.

Dou, Y., Liu, W., Wang, W., Du, G., Xu, Y., and Wang, J.

57.

Brzezicha, B., Schmidt, M., Makalowska, I., Jarmolowski, A.,

(2017) Overexpression of NSUN2 by DNA hypomethyla

Pienkowska, J., and Szweykowska Kulinska, Z. (2006)

tion is associated with metastatic progression in human

Identification of human tRNA:m5C methyltransferase

breast cancer, Oncotarget, 8, 20751-20765, doi: 10.18632/

catalysing intron dependent m5C formation in the first

oncotarget.10612.

position of the anticodon of the pre tRNALeu(CAA),

72.

Abbasi Moheb, L., Mertel, S., Gonsior, M., Nouri Vahid, L.,

Nucleic Acids Res., 34, 6034-6043, doi: 10.1093/nar/

Kahrizi, K., Cirak, S., Wieczorek, D., Motazacker, M.,

gkl765.

Esmaeeli Nieh, S., Cremer, K., WeiЯmann, R., Tzschach, A.,

58.

Ivanov, P., Emara, M., Villen, J., Steven, P., Gygi, S., and

Garshasbi, M., Abedini, S., Najmabadi, H., Ropers, H.,

Paul Anderson, P. (2011) Angiogenin induced tRNA frag

Sigrist, S., and Kuss, A. (2012) Mutations in NSUN2

ments inhibit translation initiation, Mol. Cell.,

43,

cause autosomal recessive intellectual disability, Am. J.

613-623, doi: 10.1016/j.molcel.2011.06.022.

Hum. Genet., 90, 847-855, doi: 10.1016/j.ajhg.2012.03.

59.

Wang, N., Tang, H., Wang, X., Wang, W., and Feng, J.

021.

(2017) Homocysteine upregulates interleukin 17A expres

73.

Martinez, F., Lee, J., Lee, J., Blanco, S., Nickerson, E.,

sion via NSun2 mediated RNA methylation in T lympho

Gabriel, S., Frye, M., Al Gazali, L., and Gleeson, J.

cytes, Biochem. Biophys. Res. Commun., 493, 94-99,

(2012) Whole exome sequencing identifies a splicing muta

doi: 10.1016/j.bbrc.2017.09.069.

tion in NSUN2 as a cause of a Dubowitz like syndrome,

60.

Luo, Y., Feng, J., Xu, Q., Wang, W., and Wang, X. (2016)

J. Med. Genet., 49, 380-385, doi: 10.1136/jmedgenet

NSun2 deficiency protects endothelium from inflamma

2011 100686.

tion via mRNA methylation of ICAM 1, Circ. Res., 118,

74.

Nakano, S., Suzuki, T., Kawarada, L., Iwata, H., Asano, K.,

944-956, doi: 10.1161/CIRCRESAHA.115.307674.

and Suzuki, T.

(2016) NSUN3 methylase initiates

61.

Tang, H., Fan, X., Xing, J., Liu, Z., Jiang, B., Dou, Y.,

5 formylcytidine biogenesis in human mitochondrial

Gorospe, M., and Wang, W. (2015) NSun2 delays replica

tRNAMet, Nat. Chem. Biol., 12, 546-551, doi: 10.1038/

tive senescence by repressing p27 (KIP1) translation and

nchembio.

elevating CDK1 translation, Aging,

1143-1155,

75.

Cantara, W., Murphy, V., Demirci, H., and Agris, P. (2013)

doi: 10.18632/aging.100860.

Expanded use of sense codons is regulated by modified

62.

Zhang, X., Liu, Z., Yi, J., Tang, H., Xing, J, Yu, M., Tong, T.,

cytidines in tRNA, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 110,

Shang, Y., Gorospe, M., and Wang, W. (2012) The tRNA

10964-10969, doi: 10.1073/pnas.1222641110.

methyltransferase NSun2 stabilizes p16INK4 mRNA by

76.

Haag, S., Sloan, K., Ranjan, N., Warda, A., Kretschmer, J.,

methylating the 3′ untranslated region of p16, Nat.

Blessing, C., Hübner, B., Seikowski, J., Dennerlein, S.,

Commun., 3, 712, doi: 10.1038/ncomms1692.

Rehling, P., Rodnina, M., Hцbartner, C., and Bohnsack, M.

63.

Khoddami, V., and Cairns, B. (2013) Identification of

(2016) NSUN3 and ABH1 modify the wobble position of

direct targets and modified bases of RNA cytosine methyl

mt tRNAMet to expand codon recognition in mitochon

transferases, Nat. Biotechnol., 31, 458-464, doi: 10.1038/

drial translation, EMBO J., 35, 2104-2119, doi: 10.15252/

nbt.2566.

embj.201694885.

64.

Berger, W., Steiner, E., Grusch, M., Elbling, L., and

77.

Trixl, L., Amort, T., Wille, A., Zinni, M., Ebner, S.,

Micksche, M. (2009) Vaults and the major vault protein:

Hechenberger, C., Eichin, F., Gabriel, H., Schoberleitner, I.,

novel roles in signal pathway regulation and immunity, Cell.

Huang, A., Piatti, P., Nat, R., Troppmair, J., and Lusser, A.

Mol. Life Sci., 66, 43-61, doi: 10.1007/s00018 008 8364 z.

(2018) RNA cytosine methyltransferase Nsun3 regulates

65.

Hussain, S., Sajini, A., Blanco, S., Dietmann, S.,

embryonic stem cell differentiation by promoting mito

Lombard, P., Sugimoto, Y., Paramor, M., Gleeson, J.,

chondrial activity, Cell. Mol. Life Sci., 75, 1483-1497,

Odom, D., Ule, J., and Frye, M. (2013) NSun2 mediated

doi: 10.1007/s00018 017 2700 0.

cytosine 5 methylation of vault noncoding RNA deter

78.

Van Haute, L., Dietmann, S., Kremer, L., Hussain, S.,

mines its processing into regulatory small RNAs, Cell Rep.,

Pearce, S., Powell, C., Rorbach, J., Lantaff, R., Blanco, S.,

4, 255-261, doi: 10.1016/j.celrep.2013.06.029.

Sauer, S., Kotzaeridou, U., Hoffmann, G., Memari, Y.,

66.

Hussain, S., Benavente, S.B., Nascimento, E., Dragoni, I.,

Kolb Kokocinski, A., Durbin, R., Mayr, J., Frye, M.,

Kurowski, A., Gillich, A., Humphreys, P., and Frye, M.

Prokisch, H., and Minczuka, M. (2016) Deficient methy

(2009) The nucleolar RNA methyltransferase Misu

lation and formylation of mt tRNA^Met wobble cytosine in a

(NSun2) is required for mitotic spindle stability, J. Cell.

patient carrying mutations in NSUN3, Nat. Commun., 7,

Biol., 186, 27-40, doi: 10.1083/jcb.200810180.

12039, doi: 10.1038/ncomms12039.

67.

Frye, M., and Watt, F. (2006) The RNA methyltransferase

79.

Metodiev, M.D., Spеhr, H., Loguercio Polosa, P., Meharg, C.,

Misu (NSun2) mediates Myc induced proliferation and is

Becker, C., Altmueller, J., Habermann, B., Larsson, N.G.,

upregulated in tumors, Curr. Biol.,

16,

971-981,

and Ruzzenente, B. (2014) NSUN4 is a dual function

doi: 101016/j.cub.2006.04.027.

mitochondrial protein required for both methylation of

68.

Sakita Suto, S., Kanda, A., Suzuki, F., Sato, S., Takata, T.,

12S rRNA and coordination of mitoribosomal assembly,

and Tatsuka, M. (2007) Aurora B regulates RNA methyl

PLoS Genetics, 10, e1004110, doi: 10.1371/journal.pgen.

transferase NSun2, Mol. Biol. Cell., 18, 1107-1117,

1004110.

doi: 10.1091/mbc.E06 11 1021.

80.

Yakubovskaya, E., Guja, K.E., Mejia, E., Castano, S.,

69.

Blanco, S., Kurowski, A., Nichols, J., Watt, F., Benitah, S.,

Hambardjieva, E., Choi, W.S., and Garcia Diaz, M.

and Frye, M. (2011) The RNA methyltransferase Misu

(2012) Structure of the essential MTERF4:NSUN4 pro

(NSun2) poises epidermal stem cells to differentiate, PLoS

tein complex reveals how an MTERF protein collaborates

Genet., 7, e1002403, doi: 10.1371/journal.pgen.1002403.

to facilitate rRNA modification, Structure, 20, 1940-1947,

70.

Hussain, S., Tuorto, F., Menon, S., Blanco, S., Cox, C.,

doi: 10.1016/j.str.2012.08.027.

Flores, J., Watt, S., Kudo, N., Lyko, F., and Frye, M.

81.

Spеhr, H., Habermann, B., Gustafsson, C., Larsson, N., and

(2013) The mouse cytosine 5 RNA methyltransferase

Hallberg, B. (2012) Structure of the human MTERF4

NSun2 is a component of the chromatoid body and

NSUN4 protein complex that regulates mitochondrial

required for testis differentiation, Mol. Cell. Biol., 33,

ribosome biogenesis, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 109,

1561-1570, doi: 10.1128/MCB.01523 12.

15253-15258, doi: 10.1073/pnas.1210688109.

4 БИОХИМИЯ том 84 вып. 8 2019

1098

КУЗНЕЦОВА и др.

82. Cámara, Y., Asin Cayuela, J., Park, C., Metodiev, M., Shi, Y.,

88. Li, C., Wang, S., Xing, Z., Lin, A., Liang, K., Song, J., Hu, Q.,

Ruzzenente, B., Kukat, C., Habermann, B., Wibom, R.,

Yao, J., Chen, Z., Park, P.K., Hawke, D.H., Zhou, J.,

Hultenby, K., Franz, T., Erdjument Bromage, H., Tempst, P.,

Zhou, Y., Zhang, S., Liang, H., Hung, M.C., Gallick, G.E.,

Hallberg, M., Gustafsson, C.M., and Larsson, N. G.

Han, L., Lin, C., and Yang, L. (2017) A ROR1 HER3

(2011) MTERF4 regulates translation by targeting the

LncRNA signaling axis modulates the Hippo YAP pathway

methyltransferase NSUN4 to the mammalian mitochon

to regulate bone metastasis, Nat. Cell Biol., 19, 106-119,

drial ribosome, Cell. Metab., 13, 527-539, doi: 10.1016/

doi: 10.1038/ncb3464.

j.cmet.2011.04.002.

89. Chalmel, F., Rolland, A.D., Niederhauser Wiederkehr, C.,

83. Schosserer, M., Minois, N., Angerer, T.B., Amring, M.,

Chung, S.S., Demougin, P., Gattiker, A., Moore, J.,

Dellago, H., Harreither, E., Calle Perez, A., Pircher, A.,

Patard, J.J., Wolgemuth, D.J., Jйgou, B., and Primig, M.

Gerstl, M. P., Pfeifenberger, S., Brandl, C., Sonntagbauer, M.,

(2007) The conserved transcriptome in human and rodent

Kriegner, A., Linder, A., Weinhдusel, A., Mohr, T., Steiger, M.,

male gametogenesis, Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 104,

Mattanovich, D., Rinnerthaler, M., Karl, T., Sharma, S.,

8346-8351, doi: 10.1073/pnas.0701883104.

Entian, K.D., Kos, M., Breitenbach, M., Wilson, I.B.,

90. Harris, T., Marquez, B., Suarez, S., and Schimenti, J.

Polacek, N., Grillari Voglauer, R., Breitenbach Koller, L.,

(2007) Sperm motility defects and infertility in male mice

and Grillari, J. (2015) Methylation of ribosomal RNA by

with a mutation in Nsun7, a member of the Sun domain

NSUN5 is a conserved mechanism modulating organismal

containing family of putative RNA methyltransferases,

lifespan, Nat. Commun.,

6158. doi:

10.1038/

Biol. Reprod., 77, 376-382, doi: 10.1095/biolreprod.106.

ncomms7158.

058669.

84. Ramani, A K., Li, Z., Hart, G.T., Carlson, M.W., Boutz, D.R.,

91. Khosronezhad, N., Colagar, A., and Mortazavi, S. (2015)

and Marcotte, E.M. (2008) A map of human protein inter

The Nsun7 (A11337) deletion mutation, causes reduction

actions derived from co expression of human mRNAs and

of its protein rate and associated with sperm motility defect

their orthologs, Mol. Systems Biol., 4, 180, doi: 10.1038/

in infertile men, J. Assist. Reprod. Genet., 32, 807-815,

msb.2008.19.

doi: 10.1007/s10815 015 0443 0.

85. Haag, S., Warda, A., Kretschmer, J., Gьnnigmann, M.,

92. Khosronejad, N., Colagar, A., and Jorsarayi, S. (2015)

Höbartner, C., and Bohnsack, M. (2015) NSUN6 is a

T26248G transversion mutation in exon7 of the putative

human RNA methyltransferase that catalyzes formation of

methyltransferase Nsun7 gene causes a change in protein

m⁵C72 in specific tRNAs, RNA,

21,

1532-1543,

folding associated with reduced sperm motility in

doi: 10.1261/rna.051524.115.

asthenospermic men, Reprod. Fertil. Dev., 27, 471-480,

86. Long, T., Li, J., Li, H., Zhou, M., Zhou, X., Liu, R., and

doi: 10.1071/RD13371.

Wang, E. (2016) Sequence specific and shape selective

93. Aguilo, F., Li, S., Balasubramaniyan, N., Sancho, A.,

RNA recognition by the human RNA 5 methylcytosine

Benko, S., Zhang, F., Vashisht, A., Rengasamy, M.,

methyltransferase NSun6, J. Biol. Chem., 291, 24293-

Andino, B., Chen, C.H., Zhou, F., Qian, C., Zhou, M.M.,

24303, doi: 10.1074/jbc.M116.742569.

Wohlschlegel, J.A., Zhang, W., Suchy, F.J., and

87. Liu, R., Long, T., Li, J., Li, H., and Wang, E. (2017)

Walsh, M.J. (2016) Deposition of 5 methylcytosine on

Structural basis for substrate binding and catalytic mecha

enhancer RNAs enables the coactivator function of PGC

nism of a human RNA:m⁵C methyltransferase NSun6,

1α, Cell Rep.,

14,

479-492, doi:

10.1016/j.celrep.

Nucleic Acids Res., 45, 6684 6697, doi: 10.1093/nar/gkx473.

2015.12.043.

RNA (CYTOSINE C5) METHYLTRANSFERASES

S. A. Kuznetsova¹*#, K. S. Petrukov²*#, F. I. Pletnev^2,3,4,

P. V. Sergiev^1,2,3,5, and O. A. Dontsova^2,3,4

¹ Lomonosov Moscow State University, Institute of Functional Genomics,

119234 Moscow, Russia; E(mail: svetlana@belozersky.msu.ru

² Lomonosov Moscow State University, Faculty of Chemistry, 119991 Moscow, Russia

³ Skolkovo Institute of Science and Technology, 121205 Skolkovo, Moscow Region, Russia

⁴ Institute of Bioorganic Chemistry, 117997 Moscow, Russia

⁵ Petrov National Medical Research Center of Oncology, 197758 St. Petersburg, Russia

Received March 5, 2019

Revised April 16, 2019

Accepted April 16, 2019

The review summarizes published results of studies of pro and eukaryotic RNA (cytosine C5) methyltransferases.

Their structures, intracellular localization, RNA targets and catalytic mechanisms, as well as the functional role of

methylated cytosine residues in RNA and the RNA (cytosine C5) methyltransferases’ functions not related to

methylation are discussed. Special attention is given to the analysis of similarities and differences in the structure and

mechanism of action of RNA and DNA methyltransferases. Finally, data on the relationship of mutations in the

genes of RNA (cytosine C5) methyltransferases with human diseases are presented.

Keywords: posttranscriptional modification of RNA, RNA (cytosine С5) methyltransferases, 5 methylcytosine,

RNA methylation

БИОХИМИЯ том 84 вып. 8 2019