5-메틸사이토신(5-methylcytosine, 5-mC)은 시토신 염기의 5번 탄소에 메틸기(-CH₃)가 결합한 변형 염기이다. DNA 메틸화의 주요 형태로, 진핵생물의 후성유전학적 조절에서 핵심적인 역할을 수행한다.
화학적 구조 및 특성 시토신의 피리미딘 고리 제5위 탄소에 메틸기가 치환된 구조(C₅H₁₀N₃O)를 가지며, 염기 쌍 형성 시 구아닌과 표준적인 와튼-크릭 결합을 유지한다. 이러한 특성으로 인해 유전 암호 자체를 변경하지 않으면서 DNA의 물리화학적 성질과 단백질 결합 친화성을 변화시킨다.
생물학적 생성 및 조절 진핵생물에서는 DNA 메틸전달효소(DNMT)에 의해 시토신의 5번 탄소가 메틸화되어 생성된다. 포유류의 경우 주로 CpG 이뉴클레오타이드 문맥에서 메틸화가 일어나며, DNMT1(유지 메틸화), DNMT3A/3B(신규 메틸화) 등이 관여한다. 탈메틸화 과정에는 TET 효소 계열(TET1/2/3)이 5-메틸사이토신을 5-하이드록시메틸사이토신(5-hmC) 등으로 산화시키는 기전이 관여한다.
기능
- 전사 억제: 프로모터 영역의 CpG 아일랜드 메틸화는 전사 인자 결합을 방해하거나 메틸화 결합 단백질(MeCP2 등)을 모집하여 크로마틴 응축을 유도, 유전자 발현을 억제한다.
- 게놈 각인 및 X 염색체 불활성화: 부모유래 유전자의 차별적 발현과 암컷 포유류의 X 염색체 불활성화 등 발달 과정의 후성유전적 프로그램에 필수적이다.
- 전이인자 억제: 레트로트랜스포존 등 전이인자 영역의 메틸화를 통해 게놈 불안정성을 방지한다.
- RNA 메틸화: DNA 외에 tRNA, rRNA, mRNA 등에서도 5-메틸사이토신이 존재하며, RNA 안정성, 번역 효율, 스플라이싱 등에 관여하는 것으로 밝혀지고 있다.
질병과의 연관성 5-메틸사이토신 패턴의 이상(전반적 저메틸화 및 종양억제 유전자 프로모터의 과메틸화)은 다양한 암 발생의 주요 특징이다. 또한 DNMT3A, TET2 등의 돌연변이는 골수이형성증후군, 급성 골수성 백혈병 등 혈액암과 밀접하게 연관된다. 이 밖에 신경발달 장애, 면역 질환 등에서도 후성유전적 조절 장애가 보고된다.
연구 및 응용 바이설파이트 시퀀싱(Bisulfite sequencing)은 5-메틸사이토신을 시토신으로 전환하지 않고 티민으로 읽히게 하는 화학적 특성을 이용해 단일 염기 해상도의 메틸화 지도를 작성하는 표준 기술로 활용된다. 최근에는 나노포어 시퀀싱 등 직접 메틸화를 감지하는 기술도 발전 중이다. 5-아자시티딘, 데시타빈 등 DNMT 저해제는 골수이형성증후군 치료제로 임상에서 사용되고 있다.
