Pemetilan

Pemetilan atau metilasi dalam kimia ialah penambahan kumpulan metil terhadap satu molekul, atau penggantian atom (atau kumpulan) oleh kumpulan metil. Pemetilan ialah satu bentuk pengalkilan, dengan kumpulan metil menggantikan atom hidrogen. Istilah ini biasanya digunakan dalam kimia, biokimia, sains tanah dan biologi.

Dalam sistem biologi, pemetilan dimangkinkan oleh enzim; pemetilan sedemikian boleh terlibat dalam pengubahsuaian logam berat, pengawalan ekspresi gen, pengawalan fungsi protein, dan pemprosesan RNA. Pemetilan in vitro sampel tisu juga merupakan satu cara untuk menurunkan beberapa artifak pewarnaan histologi. Proses yang terbalik pula ialah ialah penyahmetilan.

 Dalam biologi 
Dalam sistem biologi, pemetilan dicapai oleh enzim. Pemetilan boleh mengubah suai logam berat dan boleh mengawal ekspresi gen, pemprosesan RNA, dan fungsi protein. Ia merupakan proses utama yang mendasari epigenetik.

 Metanogenesis 
Metanogenesis, proses yang menghasilkan metana daripada CO2, melibatkan satu siri tindak balas pemetilan. Tindak balas ini disebabkan oleh satu set enzim yang disimpan oleh keluarga mikrob anaerobik.Thauer, R. K., "Biochemistry of Methanogenesis: a Tribute to Marjory Stephenson", Microbiology, 1998, volume 144, pages 2377-2406.

 O-metiltransferase 
Pelbagai jenis fenol menjalani O-pemetilan untuk memberikan terbitan anisol. Proses ini yang dimangkinkan oleh enzim seperti kafeoil-KoA O-metiltransferase, adalah tindak balas utama dalam biosintesis lignol, molekul pendahulu lignin, komponen struktur utama tumbuhan.

Tumbuhan menghasilkan flavonoid dan isoflavon dengan pemetilan di kumpulan hidroksil, iaitu ikatan metoksi. 5-O-pemetilan ini memberi kesan terhadap keterlarutan air flavonoid. Contohnya ialah 5-O-metilgenistein, 5-O-metilmirisetin, dan 5-O-metilkuersetin (azaleatin).

 Protein 
Bersama-sama dengan pengubikuitinan dan pemfosforilan, pemetilan ialah proses biokimia utama untuk mengubah suai fungsi protein. Pemetilan protein yang paling lazim mempengaruhi sisa arginin dan lisina histon tertentu. Selain itu, histidina, glutamat, asparagina, sisteina boleh terdedah kepada pemetilan. Beberapa produk yang terjana termasuk S-metilsisteina, dua isomer N-metilhistidina, dan dua isomer N-metilarginina.

 Metionina sintase 
kiri|thumb| Tindak balas pemetilan yang dimangkinkan oleh metionina sintase.
Metionina sintase menjana semula metionina (Met) daripada homosisteina (Hcy). Tindak balas keseluruhan mengubah 5-metiltetrahidrofolat (N5-MeTHF) kepada tetrahidrofolat (THF) sambil memindahkan kumpulan metil terhadap Hcy untuk membentuk Met. Sintesis metionina boleh bergantung kepada kobalamin atau tidak: tumbuhan melaksanakan kedua-duanya, haiwan bergantung metilkobalamin.

Dalam bentuk enzim bergantungan metilkobalamin, tindak balas diteruskan dengan dua langkah dalam tindak balas ping-pong. Enzim ini pada mulanya dimasukkan ke dalam keadaan reaktif dengan pemindahan kumpulan metil daripada N5-MeTHF kepada Co(I) dalam kobalamin terikat enzim (Cob), membentuk metil-kobalamin (Me-Cob) yang kini mengandungi Me-Co(III) dan mengaktifkan enzim. Kemudian, Hcy yang telah dikoornasikan kepada zink terikat enzim untuk membentuk tiolat reaktif bertindak balas pula dengan Me-Cob. Kumpulan metil yang diaktifkan dipindahkan dari Me-Cob ke tiolat Hcy yang menjana semula Co(I) dalam Cob, dan Met dibebaskan daripada enzim.

 Logam berat: arsenik, raksa, kadmium 
Biopemetilan ialah laluan untuk menukar beberapa unsur berat kepada terbitan lebih mudah alih atau memudaratkan yang boleh memasuki rantai makanan. Biopemetilan sebatian arsenik bermula dengan pembentukan metanaarsonat. Oleh itu, sebatian arsenik tak organik trivalen dimetilkan untuk memberikan metanaarsonat. S-adenosilmetionina ialah penderma metil. Metanearsonat ialah pelopor kepada dimetilarsonat, sekali lagi dengan kitaran penurunan (kepada asid metilarsonus), diikuti dengan pemetilan kedua. Laluan yang berkaitan terdapat dalam pemetilan mikrob raksa kepada metilmerkuri.

 Pemetilan epigenetik 

 Pemetilan DNA/RNA 
Pemetilan DNA ialah penukaran sitosina kepada 5-metilsitosina. Pembentukan Me-CpG dimangkinkan oleh enzim DNA metiltransferase. Dalam vertebrat, pemetilan DNA biasanya berlaku di tapak CpG (tapak sitosina-fosfat-guaninea, iaitu tapak di mana sitosina diikuti secara langsung oleh guanina dalam jujukan DNA). Dalam mamalia, pemetilan DNA adalah biasa dalam sel badan, dan pemetilan tapak CpG nampaknya menjadi tetapan lalai. DNA manusia mempunyai kira-kira 80–90% tapak CpG yang dimetilkan, tetapi terdapat kawasan tertentu, yakni pulau CpG, yang kaya dengan CG (kandungan sitosina-guanina yang tinggi, terdiri daripada kira-kira 65% sisa CG), di mana tiada satu pun yang dimetilkan. Ini dikaitkan dengan promoter bagi 56% gen mamalia, termasuk semua gen yang selalu diekspresikan. Satu hingga dua peratus daripada genom manusia ialah kelompok CpG, dan terdapat hubungan songsang antara pemetilan CpG dan aktiviti transkripsi. Pemetilan yang menyumbang kepada pewarisan epigenetik boleh berlaku sama ada melalui pemetilan DNA atau pemetilan protein. Pemetilan gen manusia yang tidak betul boleh menyebabkan perkembangan penyakit,   termasuk barah.  

Dalam lebah madu, pemetilan DNA dikaitkan dengan hiris cantum alternatif dan kawal atur gen berdasarkan penyelidikan genomik berfungsi yang diterbitkan pada tahun 2013.  Li-Byarlay et al., "RNA interference knockdown of DNA methyl-transferase 3 affects gene alternative splicing in the honey bee", Proceedings of the National Academy of Sciences 110 (31), 12750-12755, https://doi.org/10.1073/pnas.1310735110  Di samping itu, pemetilan DNA dikaitkan dengan perubahan ekspresi dalam gen imun apabila lebah madu berada di bawah jangkitan virus maut. Li-Byarlay et al. 2020, "Transcriptomic and epigenomic dynamics of honey bees in response to lethal viral infection" Frontiers in genetics 11, 1056, https://doi.org/10.3389/fgene.2020.566320  Beberapa kertas kajian telah diterbitkan mengenai topik pemetilan DNA dalam serangga sosial.  Li-Byarlay, "The Function of DNA Methylation Marks in Social Insects" Front. Ecol. Evol., 19 May 2016 Sec. Social Evolution, Volume 4 - 2016 https://doi.org/10.3389/fevo.2016.00057  Wang & Li-Byarlay, "Chapter Two-Physiological and Molecular Mechanisms of Nutrition in Honey Bees", 2015, Advances in Insect Physiology, 49: 25-58. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0065280615000259 

Pemetilan RNA berlaku dalam spesies RNA yang berbeza, iaitu tRNA, rRNA, mRNA, tmRNA, snRNA, snoRNA, miRNA dan RNA virus. Strategi pemangkinan yang berbeza digunakan dalam pemetilan RNA oleh pelbagai RNA metiltransferase. Pemetilan RNA dianggap telah wujud sebelum pemetilan DNA dalam bentuk awal kehidupan yang berkembang di Bumi.

N6-metiladenosina (m6A) ialah pengubahsuaian pemetilan yang paling biasa dan banyak dalam molekul RNA yang terdapat dalam eukariot. 5-metilsitosina (5-mC) juga biasa berlaku dalam pelbagai molekul RNA. Data terkini sangat mencadangkan bahawa pemetilan m6A dan 5-mC mempengaruhi peraturan pelbagai proses biologi seperti kestabilan RNA dan terjemahan mRNA,  dan pemetilan RNA yang tidak normal menyumbang kepada etiologi penyakit manusia. 

Dalam serangga sosial seperti lebah madu, pemetilan RNA dikaji sebagai mekanisme epigenetik yang mungkin mendasari pencerobohan melalui tindihan timbal balik.  Bresnahan et al, "Examining parent-of-origin effects on transcription and RNA methylation in mediating aggressive behavior in honey bees (Apis mellifera)" BMC Genomics volume 24, Article number: 315 (2023), https://doi.org/10.1186/s12864-023-09411-4

 Pemetilan protein 
Pemetilan protein biasanya berlaku di sisa asid amino arginina atau lisina dalam jujukan protein.  Arginina boleh dimetilkan sekali (monometil arginina) atau dua kali, dengan sama ada kedua-dua kumpulan metil di satu terminal nitrogen (dimethilarginina asimetri) atau satu di setiap atom nitrogen (dimetilarginina simetri), oleh arginina metiltransferase protein (PRMT). Lisina boleh dimetilkan sekali, dua kali, atau tiga kali oleh lisina metiltransferase. Pemetilan protein paling banyak dikaji dalam histon. Pemindahan kumpulan metil daripada S-adenosil metionina kepada histon dimangkinkan oleh enzim yang dikenali sebagai histon metiltransferase. Histon yang dimetilkan pada sisa tertentu boleh bertindak secara epigenetik untuk menekan atau mengaktifkan ekspresi gen. Pemetilan protein adalah salah satu jenis pengubahsuaian selepas terjemahan.

 Evolusi 
Metabolisme metil adalah sangat kuno, dan boleh ditemui dalam semua organisma di bumi, daripada bakteria kepada manusia, sekaligus menunjukkan kepentingan metabolisme metil untuk fisiologi.  Sesungguhnya, perencatan farmakologi pemetilan global dalam spesies yang terdiri daripada manusia, tikus, ikan, lalat, cacing gelang, tumbuhan, alga dan sianobakteria menyebabkan kesan yang sama dalam irama biologi mereka, menunjukkan peranan fisiologi terpelihara pemetilan semasa evolusi. 

 Dalam kimia 
Pemetilan dalam kimia organik merujuk kepada proses pengalkilan yang digunakan untuk menggambarkan penghantaran kumpulan . 

 Pemetilan elektrofilik 
Pemetilan biasanya dilakukan menggunakan sumber metil elektrofilik seperti iodometana,  dimetil sulfat,   dimetil karbonat,  atau tetrametilammonium klorida.  Reagen pemetilan yang kurang biasa tetapi lebih berkuasa (dan lebih berbahaya) termasuk metil triflat,  diazometana,  dan metil fluorosulfonat (metil magik). Reagen ini semua bertindak balas melalui penggantian nukleofilik SN2. Sebagai contoh, karboksilat boleh dimetilkan di oksigen untuk memberikan metil ester; garam alkoksida  mungkin juga dapat ditambah metil untuk memberikan eter; atau enolat keton boleh dimetilkan di karbon untuk menghasilkan keton baru.

 alt=Methylation of a carboxylic acid salt and a phenol using iodomethane|350x350px|Metilasi garam asid karboksilik dan fenol menggunakan iodometana

Pemetilan Purdie ialah satu tindak balas khusus pemetilan di oksigen karbohidrat menggunakan iodometana dan perak oksida.

 alt=Purdie methylation|500x500px|Metilasi Purdie

 Pemetilan Eschweiler-Clarke 
Tindak balas Eschweiler-Clarke ialah kaedah untuk pemetilan amina.  Kaedah ini mengelakkan risiko pengkuaterneran, yang berlaku apabila amina dimetilkan dengan metil halida.
alt=The Eschweiler–Clarke reaction is used to methylate amines.|tengah|300x300px| Tindak balas Eschweiler-Clarke digunakan untuk pemetilan amina.

 Diazometana dan trimetilsilildiazometana 
Diazometana dan analog lebih selamat, trimetilsilildiazometana memetilkan asid karboksilik, fenol dan juga alkohol:

RCO2H  +  tmsCHN2  +  CH3OH  -> RCO2CH3  +  CH3Otms  +  N2

Kaedah ini menawarkan kelebihan bahawa produk sampingan mudah dikeluarkan daripada campuran produk.

 Pemetilan nukleofilik 
Pemetilan kadangkala melibatkan penggunaan reagen metil nukleofilik. Agen pemetilan nukleofilik kuat termasuk metillitium ()  atau reagen Grignard seperti metilmagnesium bromida ().  Sebagai contoh,  akan menambah kumpulan metil kepada karbonil (C=O) keton dan aldehid:

 alt=Methylation of acetone by methyl lithium|250x250px|Metilasi aseton oleh metil litium

Ejen pemetilan yang lebih ringan termasuk tetrametiltin, dimetilzink, dan trimetilaluminium. 

 Rujukan 

 Pautan luar 

 deltaMasses Pengesanan pemetilan selepas spektrometri jisim

Kategori:Pengubahsuaian pascatranslasi
Kategori:Tindak balas organik
Kategori:Epigenetik
Kategori:Pemetilan