5-メチルシトシン
この物質の機能は生物種により大きく異なる。
細菌の場合、5mCはゲノム上の様々な場所に存在し、しばしば自身のDNAをメチル化感受性制限酵素から保護するマーカーとして機能している。
植物の場合、5mCはCpGサイト、CpHpG、ならびにCpHpHの配列に局在している(H = A, C, T)。
真菌および動物の場合、5mCは主にCpGジヌクレオチドとして存在する。多くの真核生物ではCpGサイトのメチル化率はわずかであるが、脊椎動物の場合は70〜80%のCpG中シトシンがメチル化されている。哺乳類においては、ゲノム中の約1%の塩基が5mCである。
シトシン (C)が自発性に脱アミノ化するとウラシル (U)となり、DNA修復酵素により除去されるが、一方で5mCが脱アミノ化するとチミン(T)を生じる。この塩基の転換(C→T)は塩基転位型突然変異を引き起こし得る。加えて、APOBEC(英語版)ファミリーの酵素によって引き起こされるシトシン及び5mCの脱アミノ化は、細胞内のプロセスや生物種の進化に関与している可能性がある。一方で、5-ヒドロキシメチルシトシンの脱アミノ化の意義や詳細は不明である。
1898年、結核菌から細菌性毒素を単離しようとしていた時、新たな核酸が発見され、ツベルクリン酸(英語版)と命名された。この核酸は、チミン、グアニン、シトシンとは異なる、メチル化された塩基を持つヌクレオチドであった。1925年、少量のメチル化シトシンがツベルクリン酸の硫酸加水分解物として生成された。この報告はピクリン酸結晶の光学特性のみに基づいていた上、他の科学者達に再現できなかったので酷評された。しかし1948年、仔牛胸腺のDNAから従来のシトシンやウラシルとは異なるメチル化シトシンがペーパークロマトグラフィーにより単離され、存在が決定的となった。
それから70年後、RNA分子中に一般に存在することが明らかとなったが、正確な役割は不明であった。
癌細胞においては、ゲノムDNAは過剰メチル化状態や低メチル化状態になることがある。過剰メチル化の例としては、遺伝子プロモーターと重複するCpGアイランドがde novoメチル化されることで、通常腫瘍の増殖阻害に関連する遺伝子の異常な不活性化を引き起こすものがある。癌細胞では正常組織と比べてDNMT1やDNMT3A、DNMT3Bの発現レベルが高く、これらは癌の5mCの異常なレベルに関連している。
サテライトDNA、Alu配列、および長い散在反復配列(LINE)を含むゲノム中の反復配列は、癌細胞において低メチル化されていることが多く、通常は発現しないはずの遺伝子の発現をもたらすため、その発現レベルは多くの場合で腫瘍進行の重要なマーカーになっている。高メチル化と低メチル化の間には関連があると推測されており、例えばDNAメチルトランスフェラーゼの過剰活性による異常な5mCメチル化の増加は、エピジェネティックな修復の一種である脱メチル化によって補償される可能性がある。しかし、メチル化の除去は非効率的であり、ゲノム全体の低メチル化のオーバーシュートをもたらしうるし、またその逆もありえる。
低メチル化領域における遺伝子の過剰発現は、ゲノム全体の高メチル化により抑制される可能性もある。このような癌細胞の顕著な特徴は、がん細胞とその周囲の微小環境内(腫瘍関連間質)の両方で、5mCを変化させる後成的変化を通じて獲得されている可能性が高い。
シトシンが5mCにメチル化された後、複数のメカニズムを介して元の状態に戻すことができる。
受動的なDNA脱メチル化としては、DNMTによるメンテナンスを抑制(あるいは欠如)することで、ゲノム複製を通じて徐々にメチル化シトシンを希釈化する、というものがある。能動的なDNA脱メチル化としては、酸化プロセスにより5-ヒドロキシメチルシトシン (5hmC)、5-ホルミルシトシン(5fC)、および5-カルボキシルシトシン(5caC)に変換され、後者2つは最終的にチミンDNAグリコシラーゼ (TDG)及びシトシンを復元するための塩基除去修復酵素(BER)によってヌクレオシドから切断される。 TDGをノックアウトした実験では、5hmCには統計的に有意な変化を与えず、一方で5fCは2倍の増加をもたらした。
5mC、5hmC、および5fCへの酸化反応はTET (Ten-eleven translocation)ファミリージオキシゲナーゼを介して発生する。この酵素は5mCを優先的に処理し、TET2では5hmCおよび5fC変換の初期反応速度は4.9〜7.6倍遅くなる。TETには補因子としてFe(II)、基質として酸素およびα-ケトグルタル酸 (α-KG)が必要であり、後者の基質はイソクエン酸デヒドロゲナーゼ (IDH)によってイソクエン酸から生成される。 悪性腫瘍(癌細胞)においては、α-KGと競合する2-ヒドロキシグルタレート (2HG)を生成してTET活性を低下させることで、5mCから5hmCへの変換を低下させている可能性が報告されている。