Цитозин — азотистое основание ДНК и РНК¶

Цитозин — азотистое основание пиримидинового ряда, одно из четырёх основных оснований, входящих в состав нуклеиновых кислот. В молекулах ДНК и РНК цитозин образует комплементарную пару с гуанином, участвуя в хранении и передаче генетической информации. Химическое название — 4-амино-2-оксипиримидин, брутто-формула C₄H₅N₃O, молярная масса около 111,10 г/моль.

¶Химическое строение и свойства

Цитозин представляет собой гетероциклическое соединение — производное пиримидина с аминогруппой в положении 4 и гидроксильной (кетонной в лактамной форме) группой в положении 2. Молекула существует в двух таутомерных формах: амино-оксо- и имино-гидрокси-. В физиологических условиях преобладает амино-оксо-форма, которая и обеспечивает специфичное спаривание с гуанином.

Цитозин — бесцветное кристаллическое вещество, плохо растворимое в воде при нейтральном pH и лучше — в кислой и щелочной среде. Температура плавления около 320–325 °C с разложением. Как слабое основание, он образует соли с кислотами. Максимум поглощения в ультрафиолетовой области — около 267 нм в нейтральном растворе, что используется для спектрофотометрического определения нуклеиновых кислот.

¶Нуклеозиды и нуклеотиды

В составе нуклеиновых кислот цитозин существует не в свободном виде, а в форме нуклеозидов и нуклеотидов:

• Цитидин — нуклеозид, образованный цитозином и рибозой;
• Дезоксицитидин — нуклеозид цитозина с дезоксирибозой;
• Цитидинмонофосфат (ЦМФ) и дезоксицитидинмонофосфат (дЦМФ) — соответствующие нуклеотиды;
• Цитидинтрифосфат (ЦТФ) — макроэргическое соединение, участвующее в синтезе РНК и в ряде метаболических реакций.

В двойной спирали ДНК цитозин образует с гуанином три водородные связи, что делает пару G–C более прочной, чем пару A–T (аденин–тимин) с двумя связями. Это объясняет более высокую температуру плавления ДНК с высоким содержанием G–C-пар.

¶Метилирование и эпигенетика

Одной из ключевых модификаций цитозина является метилирование — присоединение метильной группы к пятому атому углерода с образованием 5-метилцитозина. У эукариот эта модификация происходит преимущественно в составе CpG-динуклеотидов и служит механизмом эпигенетической регуляции: метилирование промоторных областей генов обычно связано с подавлением их экспрессии.

Метилирование цитозина играет роль в дифференцировке клеток, инактивации одной из X-хромосом у самок млекопитающих, геномном импринтинге и подавлении активности мобильных генетических элементов. Нарушения профиля метилирования обнаруживаются при многих онкологических и наследственных заболеваниях.

Помимо 5-метилцитозина, в ДНК встречаются и другие производные: 5-гидроксиметилцитозин, 5-формилцитозин и 5-карбоксилцитозин, участвующие в процессах деметилирования.

¶Дезаминирование и мутации

Спонтанное гидролитическое дезаминирование цитозина превращает его в урацил. Поскольку урацил не является нормальным основанием ДНК, системы репарации распознают его и удаляют, заменяя на цитозин. Однако метилированный цитозин дезаминируется с образованием тимина — нормального основания ДНК, которое системами репарации распознаётся хуже. Это делает метилированные CpG-сайты горячими точками мутаций и объясняет повышенную частоту переходов C→T в геномах.

Ферментативное дезаминирование цитозина используется в клетках как часть механизмов врождённого иммунитета: белки семейства APOBEC способны редактировать вирусные нуклеиновые кислоты.

¶Биологическая роль

Цитозин выполняет несколько фундаментальных функций:

• Кодирование генетической информации — последовательность цитозинов в составе кодонов определяет порядок аминокислот в белках;
• Структурная стабилизация — пары G–C повышают термостабильность двойной спирали;
• Эпигенетическая регуляция — через метилирование влияет на активность генов;
• Метаболические функции — производные цитозина (ЦТФ, ЦДФ-холин и другие) участвуют в синтезе липидов и сигнальных молекул.

В РНК цитозин также присутствует как обычное основание, а его модифицированные формы встречаются в транспортных и рибосомных РНК.

¶Применение и значение в исследованиях

Цитозин и его производные широко используются в лабораторной практике. Аналоги цитозина — цитарабин, гемцитабин, 5-азацитидин — применяются в химиотерапии онкологических и гематологических заболеваний, поскольку встраиваются в ДНК или РНК и нарушают деление клеток. 5-азацитидин и его производные также используются как ингибиторы метилирования в эпигенетических исследованиях.

Секвенирование с бисульфитной обработкой, при которой неметилированный цитозин превращается в урацил, а метилированный остаётся неизменным, позволяет картировать метилирование по всему геному. Метод лежит в основе эпигеномных проектов и диагностических тестов.

Соотношение содержания цитозина и гуанина (GC-состав) служит важной характеристикой геномов: у разных организмов оно варьирует от примерно 25 до 75 %. GC-состав учитывают при классификации микроорганизмов, анализе структуры хромосом и оценке стабильности нуклеиновых кислот.

¶История изучения

Цитозин был выделен в 1894 году немецкими биохимиками Альбрехтом Косселем и Альбертом Нейманом из тканей тимуса крупного рогатого скота. Коссель, исследовавший состав нуклеиновых кислот, в 1910 году получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за работы по химии клеточного ядра, включая открытие нуклеиновых оснований. Позднее, после установления структуры ДНК Уотсоном и Криком в 1953 году, стало ясно, что цитозин образует строго специфичную пару с гуанином, что легло в основу понимания механизмов репликации и передачи наследственной информации.