Approfondimenti strutturali sul riconoscimento del DNA metilato da parte del dominio di legame metil-CpG di MBD6 da Arabidopsis

È interessante notare, tuttavia, che l’affinità di legame del dominio MBD AtMBD6 al DNA contenente metil-CpG è risultata significativamente inferiore a quella dei domini MBD di mammiferi noti.

La differenza principale è dovuta all’assenza di residui caricati positivamente in AtMBD6 che presumibilmente interagiscono con la spina dorsale del DNA come si vede nei complessi del DNA MBD / metil-CpG dei mammiferi. In sintesi, abbiamo gettato le basi strutturali per il riconoscimento del metil-CpG da parte di AtMBD6 per capire meglio come le proteine ​​​​MBD agiscono come mediatori dei segnali epigenetici nelle cellule vegetali.

• I fattori di trascrizione (TF) sono proteine ​​coinvolte nella regolazione dell’espressione genica. In epigenetica è generalmente accettato che i nucleotidi metilati possano impedire al TF di legarsi ai frammenti di DNA. Tuttavia, studi recenti hanno confermato che alcuni TF hanno la capacità di interagire con frammenti di DNA metilato per regolare ulteriormente l’espressione genica.
• Mentre gli esperimenti biochimici possono riconoscere i TF che si legano a sequenze di DNA metilato, questi metodi sperimentali umidi richiedono tempo e sono costosi. I metodi di apprendimento automatico sono una buona scelta per identificare rapidamente questi TF senza l’uso di materiali sperimentali  .
• Pertanto, questo studio mira a progettare un robusto predittore per il rilevamento di TF associati al DNA metilato. In primo luogo, abbiamo proposto di utilizzare la funzione del vettore di parola tripeptide per formulare campioni di proteine. Quindi, sulla base di una rete neurale ricorsiva con memoria a breve termine a lungo termine, è stato progettato un modello computazionale a due stadi. Il predittore del primo passaggio è stato utilizzato per distinguere i fattori di trascrizione dai fattori di non trascrizione.
• Una volta che le proteine ​​sono state identificate come TF, è stato utilizzato un predittore di secondo passaggio per valutare se i TF potessero legarsi al DNA metilato  . Nel test del set di dati indipendente, l’accuratezza del primo e del secondo passaggio è rispettivamente dell’86,63% e del 73,59%. Inoltre, l’analisi statistica della distribuzione dei tripeptidi nei campioni di addestramento ha mostrato che la posizione e il numero di alcuni tripeptidi nella sequenza possono influenzare il legame di TF al DNA metilato.
• Infine, sulla base del nostro modello, è stato creato un server web gratuito basato sul modello proposto, disponibile all’indirizzo https://bioinfor.nefu.edu.cn/TFPM/

Il DNA metilato non è solo un biomarcatore diagnostico, ma anche un fattore prognostico per il cancro allo stadio iniziale.

Tuttavia, il sequenziamento del bisolfito di sodio come “gold standard” nel metodo di rilevamento dei marcatori di metilazione presenta alcuni svantaggi, come il dispendio di tempo e le procedure laboriose. Pertanto, sono necessari metodi semplici e affidabili per analizzare le sequenze di DNA con o senza residui metilati.

Qui proponiamo  un metodo semplice e diretto per rilevare la metilazione del DNA attraverso la sua transizione conformazionale al G-quadruplex utilizzando un transistor ad effetto di campo in soluzione (SG-FET) senza l’uso di materiali etichettati. Il gene   BCL-2   , che è coinvolto nello sviluppo di vari tumori umani, contiene segmenti ricchi di G e subisce un cambiamento conformazionale in un quadruplex G a seconda della concentrazione di K  ^+.

I filamenti G-quadruplex accumulati si muovono vicino alla superficie del sensore SG-FET, generando grandi segnali elettrici basati su cariche molecolari interne. Inoltre, una densa spazzola polimerica idrofila viene seminata dalla polimerizzazione radicalica a trasferimento di atomi avviata dalla superficie sulla superficie del sensore SG-FET per ridurre il rumore elettrico basato sull’adsorbimento non specifico di sostanze interferenti.

In particolare, il controllo dello spessore della spazzola polimerica induce segnali elettrici basati sulle cariche molecolari del DNA nello strato di diffusione, in linea con il limite di lunghezza di Debye. La piattaforma basata su sensore SG-FET con una spazzola polimerica ben definita è adatta per il  monitoraggio in situ del   DNA metilato e fornisce un dispositivo al posto letto con un elevato rapporto segnale-rumore e senza la necessità di processi aggiuntivi come la conversione del bisolfito e reazione a catena della polimerasi.

Diversi farmaci antitumorali basano la loro citotossicità sulla loro capacità di intercalare tra le coppie di basi del DNA.

• Tuttavia, è stato stabilito che il meccanismo di intercalazione dei farmaci nel DNA inizia con un modo precedente di interazione del farmaco con il DNA che lega il solco. Occasionalmente, per alcuni tipi di piccole molecole piatte, il legame attraverso le scanalature non ha effetti citotossici ed è desiderabile che tali piccole molecole piatte entrino rapidamente nella modalità di intercalazione citotossica.
•  È il caso dei derivati ​​fenantrolinici metilati (phen), dove i cambiamenti nella sostituzione della posizione e del numero dei gruppi metilici determinano la loro capacità di composti citotossici ed è quindi un mezzo per modulare gli effetti citotossici.
• In questo lavoro, abbiamo studiato questa modulazione mediante l’interazione del complesso [Pt (en) (phen)]  ²⁺   e diversi derivati ​​mediante metilazione di diversi numeri e posizioni del phe e del DNA d (GTCGAC)  _{2  esamero} dalla   scanalatura di incollaggio utilizzando i metodi PM6-DH2 e DFT-D. L’analisi della geometria, della struttura elettronica e dell’energia dei sistemi studiati è stata confrontata con il lavoro sperimentale per ottenere informazioni sulla relazione struttura-interazione per i sistemi testati con la citotossicità.
•  Le tendenze sono spiegate dall’indice di interazione non covalente (NCI), dall’analisi della distribuzione dell’energia (EDA) e dai contributi di solvatazione. I nostri risultati sono in linea con esperimenti in cui la metilazione della posizione 4 del phen sembra favorire l’   interazione via  legame del solco, che ostacola il passaggio alla modalità citotossica intercalare.
• Osservando i risultati dell’NCI, queste interazioni provengono non solo dalle interazioni CH / π e CH / n del gruppo 4-metile, ma anche dal ligando etilendiammina (en), il cui orientamento nel complesso Pt è risultato produrre un gran numero di interazioni deboli con il DNA, in particolare con una spina dorsale di zucchero e fosfato

La metilazione della citosina è una modifica epigenetica necessaria per la formazione di eterocromatina matura, silenziamento genico e stabilità del genoma. Nelle piante, la metilazione si verifica non  solo all’interno delle basi della citosina nel CpG, ma anche nei contesti CpHpG e CpHpH, dove H è A, T o C. Proteine ​​con un dominio di legame metil-CpG (MBD) che riconoscono il gene del dinucleotide simmetrico repressori nelle cellule dei mammiferi  sono presenti anche nelle cellule vegetali, sebbene le loro proprietà strutturali e funzionali siano ancora poco conosciute.

Per colmare questa lacuna, in questo studio abbiamo determinato la struttura della soluzione MBD6 della proteina Arabidopsis thaliana MBD6     ed abbiamo esaminato le sue proprietà di legame del DNA metilato utilizzando saggi di legame e analisi spettroscopica NMR approfondita. Il dominio MBD AtMBD6 si ripiega nella struttura MBD canonica in base alla specificità di legame del metil-CpG e ha un’interfaccia di legame del DNA simile a quella dei domini MBD dei mammiferi.