Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

SET7 / 9, репрезентативная гистон-метилтрансфераза с SAM (красный) и пептидом, подвергающимся метилированию (оранжевый. Из файла PDB 4J83.)
SN2-подобная реакция переноса метила. Для простоты показаны только кофактор SAM и цитозиновое основание.

Метилтрансферазы - это большая группа ферментов, которые все метилируют свои субстраты, но их можно разделить на несколько подклассов в зависимости от их структурных особенностей. Наиболее распространенным классом метилтрансфераз является класс I, каждый из которых содержит складку Россмана для связывания S- аденозилметионина (SAM). Метилтрансферазы класса II содержат домен SET, который представлен гистоновыми метилтрансферазами домена SET и метилтрансферазами класса III, которые связаны с мембраной. [1] Метилтрансферазы также можно разделить на разные типы, использующие разные субстраты в реакциях переноса метила. Эти типы включают белковые метилтрансферазы, ДНК / РНК-метилтрансферазы,метилтрансферазы природного продукта и независящие от SAM метилтрансферазы. SAM является классическим донором метила для метилтрасфераз, однако в природе встречаются примеры других доноров метила. Общий механизм переноса метила представляет собой S N 2 -подобную нуклеофильную атаку, при которой сера метионина служит уходящей группой, а присоединенная к ней метильная группа действует как электрофил, который переносит метильную группу на субстрат фермента. SAM превращается в S- аденозил гомоцистеин.(SAH) во время этого процесса. Разрыв SAM-метильной связи и образование метильной связи субстрат происходят почти одновременно. Эти ферментативные реакции обнаруживаются во многих путях и связаны с генетическими заболеваниями, раком и метаболическими заболеваниями. Другой тип переноса метила - это радикал S-аденозилметионин (SAM), который представляет собой метилирование неактивированных атомов углерода в первичных метаболитах, белках, липидах и РНК.

Функция [ править ]

Генетика [ править ]

Метилирование, как и другие эпигенетические модификации, влияет на транскрипцию , стабильность генов и родительский импринтинг . [2] Он напрямую влияет на структуру хроматина и может модулировать транскрипцию генов или даже полностью заглушать или активировать гены без мутации самого гена. Хотя механизмы этого генетического контроля сложны, гипо- и гиперметилирование ДНК связано со многими заболеваниями.

Регулирование белков [ править ]

Метилирование белков имеет регуляторную роль в белок-белковых взаимодействий , взаимодействий белок-ДНК и активации белка.

Примеры: RCC1 , важный митотический белок, метилирован так, что он может взаимодействовать с центромерами хромосом. Это пример регуляции межбелкового взаимодействия, поскольку метилирование регулирует прикрепление RCC1 к гистоновым белкам H2A и H2B . Взаимодействие RCC1-хроматин также является примером взаимодействия белок-ДНК, поскольку другой домен RCC1 взаимодействует непосредственно с ДНК, когда этот белок метилирован. Когда RCC1 не метилирован, делящиеся клетки имеют несколько полюсов веретена и обычно не могут выжить.

p53 метилирован по лизину, чтобы регулировать его активацию и взаимодействие с другими белками в ответе на повреждение ДНК. Это пример регуляции белок-белковых взаимодействий и активации белков. p53 - известный опухолевый супрессор, который активирует пути репарации ДНК , инициирует апоптоз и приостанавливает клеточный цикл . В целом, он реагирует на мутации в ДНК, передавая сигнал клетке, чтобы исправить их или инициировать гибель клеток, так что эти мутации не могут способствовать развитию рака.

NF-κB (белок, участвующий в воспалении) является известной мишенью метилирования метилтрансферазы SETD6 , которая выключает передачу сигналов NF-κB путем ингибирования одной из его субъединиц, RelA . Это снижает активацию транскрипции и воспалительный ответ , делая метилирование NF-κB регуляторным процессом, посредством которого снижается передача клеточных сигналов через этот путь. [3]

Метилтрансферазы природного продукта обеспечивают различные входы в метаболические пути, включая наличие кофакторов, сигнальных молекул и метаболитов. Это регулирует различные клеточные пути, контролируя активность белка.

Типы [ править ]

Гистоновые метилтрансферазы [ править ]

Общая схема реакции, катализируемой лизингистонметилтрансферазой

Гистоновые метилтрансферазы имеют решающее значение для генетической регуляции на эпигенетическом уровне. Они модифицируют в основном лизин на ε-азоте и группу гуанидиния аргинина на хвостах гистонов. Лизинметилтрансферазы и аргининметилтрансферазы представляют собой уникальные классы ферментов, но оба связывают SAM в качестве донора метила для своих гистоновых субстратов. Аминокислоты лизина могут быть модифицированы одной, двумя или тремя метильными группами, а аминокислоты аргинина могут быть модифицированы одной или двумя метильными группами. Это увеличивает силу положительного заряда и гидрофобность остатка., позволяя другим белкам распознавать метильные метки. Эффект этой модификации зависит от расположения модификации на гистоновом хвосте и других модификациях гистонов вокруг него. Местоположение модификаций может частично определяться последовательностью ДНК, а также небольшими некодирующими РНК и метилированием самой ДНК. Чаще всего у позвоночных метилируется гистон H3 или H4. Может произойти как повышенная, так и пониженная транскрипция генов, связанных с модификацией. Повышенная транскрипция является результатом снижения конденсации хроматина , тогда как снижение транскрипции является результатом повышенной конденсации хроматина. [4] Метильные метки на гистонах вносят свой вклад в эти изменения, служа сайтами для набора других белков, которые могут дополнительно модифицировать хроматин. [5]

N-концевые метилтрансферазы [ править ]

Типичная схема реакции, катализируемой N-альфа-метилтрансферазами, с типичным субстратом. Модифицированный N-концевой остаток представляет собой серин.

N-альфа-метилтрансферазы переносят метильную группу от SAM к N-концевому азоту белка-мишени. N-концевой метионин сначала расщепляется другим ферментом, и консенсусная последовательность X- пролин- лизин распознается метилтрансферазой. Для всех известных субстратов аминокислотой X является аланин , серин или пролин. Эта реакция дает метилированный белок и SAH. Известные мишени этих метилтрансфераз у людей включают ПКР-1 (регулятор ядерных транспортных белков) и белок ретинобластомы ( белок- супрессор опухоли, который ингибирует чрезмерное деление клеток). Метилирование ПКР-1 особенно важно в митозе.поскольку он координирует локализацию некоторых ядерных белков в отсутствие ядерной оболочки . Когда ПКР-1 не метилирован, деление клеток происходит ненормально после образования дополнительных полюсов веретена . [6] Функция N-концевого метилирования белка ретинобластомы неизвестна.

Метилтрансферазы ДНК / РНК [ править ]

Метилирование ДНК, ключевой компонент генетической регуляции, происходит в основном у 5-углеродного атома основного цитозина , образуя 5'-метилцитозин (см. Слева). [7] Метилирование - это эпигенетическая модификация, катализируемая ферментами ДНК-метилтрансферазы , включая DNMT1, DNMT2 и DNMT3. Эти ферменты используют S-аденозилметионин в качестве донора метила и содержат несколько высококонсервативных структурных особенностей между тремя формами; они включают сайт связывания S-аденозилметионина, вицинальную пару пролин-цистеин, которая образует тиолат-анион, важный для механизма реакции, и карман связывания цитозинового субстрата. Многие особенности ДНК-метилтрансфераз очень консервативны.во многих сферах жизни, от бактерий до млекопитающих. Помимо контроля экспрессии определенных генов , существует множество белковых комплексов, многие из которых имеют значение для здоровья человека, которые связываются только с сайтами узнавания метилированной ДНК . Считалось, что многие из ранних ДНК-метилтрансфераз произошли от РНК-метилтрансфераз, которые, как предполагалось, были активными в мире РНК для защиты многих видов примитивных РНК. [8] Метилирование РНК наблюдалось в различных типах видов РНК, а именно. мРНК , рРНК , тРНК , snoRNA , мяРНК , микроРНК , tmRNA а также вирусные виды РНК. Специфические метилтрансферазы РНК используются клетками для маркировки их на видах РНК в соответствии с потребностями и окружающей средой, преобладающей вокруг клеток, которые составляют часть области, называемой молекулярной эпигенетикой . 2'-О-метилирование , M6A метилирование, M1G метилирование, а также m5C являются наиболее часто наблюдаемые метилирования знаки в различных типах РНК.

6A - это фермент, который катализирует следующие химические реакции: [9]

S-аденозил-L-метионин + ДНК аденин S-аденозил-L-гомоцистеин + ДНК 6-метиламинопурин

m6A в основном был обнаружен у прокариот до 2015 года, когда он был также идентифицирован у некоторых эукариот. Метилтрансферазы m6A метилируют аминогруппу в ДНК в положении C-6 специально для предотвращения переваривания системой хозяина собственного генома с помощью рестрикционных ферментов. [10]

m5C играет роль в регуляции транскрипции генов. Трансферазы m5C - это ферменты, которые продуцируют C5-метилцитозин в ДНК в положении C-5 цитозина и обнаруживаются у большинства растений и некоторых эукариот. [11]

Метилтрансферазы природных продуктов [ править ]

Реакция превращения норадреналина в адреналин, катализируемая PNMT.

Метилтрансферазы природных продуктов (NPMT) представляют собой разнообразную группу ферментов, которые добавляют метильные группы к естественным малым молекулам. Как и многие метилтрансферазы, SAM используется в качестве донора метила и продуцируется SAH. Метильные группы добавляются к атомам S, N, O или C и классифицируются по тому, какой из этих атомов модифицирован, причем O-метилтрансферазы представляют самый большой класс. Метилированные продукты этих реакций выполняют множество функций, включая кофакторы, пигменты, сигнальные соединения и метаболиты. NPMT могут выполнять регулирующую роль, изменяя реакционную способность и доступность этих соединений. Эти ферменты не являются высококонсервативными у разных видов, поскольку они выполняют более специфическую функцию, обеспечивая небольшие молекулы для специализированных путей у видов или меньших групп видов.Отражением этого разнообразия является разнообразие каталитических стратегий, включая общиекислотно-щелочной катализ , катализ на основе металлов , а также эффекты близости и десольватации, не требующие каталитических аминокислот. NPMT представляют собой наиболее функционально разнообразный класс метилтрансфераз. [12]

SAM отдает метильную группу через радикальный механизм при производстве кофеина (R 1 = R 2 = R 3 = CH 3 ), теобромина (алкалоид в шоколаде) (R 1 = H, R 2 = R 3 = CH 3 ) и теофиллина. (R 1 = R 2 = CH 3 , R 3 = H). [13]

Важные примеры этого класса ферментов в организме человека включают в себя phenylethanolamine N-метилтрансферазу (PNMT), который преобразует норадреналин в адреналин , [14] и гистамин N-метилтрансферазу (HNMT), который метилирует гистамин в процессе метаболизма гистамина. [15] катехол О -methyltransferase (КОМТ) деградирует класс молекул , известный как catcholamines , который включает допамина , эпинефрина и norepenepherine. [16]

Независимые от SAM метилтрансферазы [ править ]

Метанол , метил тетрагидрофолат , моно- , ди- и триметиламин , метантиол , methyltetrahydromethanopterin и хлорметан все метиловые доноры найдены в биологии в качестве метильной группы доноров, как правило , в ферментативных реакциях с использованием кофактора витамин B12 . [17] Эти субстраты участвуют в путях переноса метила, включая биосинтез метионина , метаногенез и ацетогенез .

Радикальные метилтрансферазы SAM [ править ]

Основываясь на различных белковых структурах и механизмах катализа, существует 3 различных типа радикальных метилаз SAM (RS): класса A, B и C. RS метилазы класса A лучше всего охарактеризованы из 4 ферментов и связаны как с RlmN, так и с RlmN. Cfr. RlmN встречается повсеместно в бактериях, что повышает точность трансляции, а RlmN катализирует метилирование C2 аденозина 2503 (A2503) в 23 S рРНК и C2 аденозина (A37). Cfr, с другой стороны, катализирует метилирование C8 из A2503, а также катализирует метилирование C2. [18]  Класс B в настоящее время является самым большим классом радикальных метилаз SAM, которые могут матилировать как sp 2-гибридизированные, так и sp 3-гибридизированные атомы углерода в различных наборах субстратов, в отличие от класса A, который катализирует только sp 22-гибридизированные атомы углерода. Основное отличие, которое отличает класс B от других, - это дополнительный N-концевой кобаламин-связывающий домен, который связывается с доменом RS. [19] Метилаза класса C имеет гомологичную последовательность с ферментом RS, копропорфириноген III оксидазой (HemN), которая также катализирует метилирование sp 2 -гибридизованных углеродных центров, но в ней отсутствуют 2 цистеина, необходимые для метилирования в механизме класса A. [18 ]

биологические доноры метила с соответствующей метильной группой выделены красным

Клиническое значение [ править ]

Как и в случае любого биологического процесса, который регулирует экспрессию и / или функцию генов, аномальное метилирование ДНК связано с генетическими нарушениями, такими как ICF , синдром Ретта и синдром ломкой Х-хромосомы . [2] Раковые клетки обычно проявляют меньшую активность метилирования ДНК в целом, хотя часто гиперметилирование происходит на участках, которые неметилированы в нормальных клетках; это чрезмерное метилирование часто действует как способ инактивировать гены-супрессоры опухолей . Ингибирование общей активности ДНК-метилтрансферазы было предложено в качестве варианта лечения, но ингибиторы DNMT, аналоги их цитозинасубстраты оказались высокотоксичными из-за их сходства с цитозином (см. справа); это сходство с нуклеотидом заставляет ингибитор включаться в трансляцию ДНК , вызывая синтез нефункционирующей ДНК.

Метилаза, которая изменяет сайт связывания рибосомной РНК антибиотика линезолида, вызывает перекрестную резистентность к другим антибиотикам, которые действуют на рибосомную РНК. Плазмидные векторы, способные передавать этот ген, являются причиной потенциально опасной перекрестной устойчивости. [20]

Примеры ферментов метилтрансферазы, относящихся к заболеванию:

  • тиопуринметилтрансфераза : дефекты этого гена вызывают токсическое накопление тиопуриновых соединений, препаратов, используемых в химиотерапии и терапии иммунодепрессантами
  • метионинсинтаза : злокачественная анемия , вызванная дефицитом витамина B12 , вызвана нехваткой кофактора фермента метионинсинтазы

Приложения в открытии и разработке лекарств [ править ]

Недавняя работа показала, что метилтрансферазы, участвующие в метилировании природных противораковых агентов, позволяют использовать аналоги S-аденозилметионина (SAM), которые несут альтернативные алкильные группы в качестве замены метила. Разработка простой химико-ферментной платформы для создания и использования дифференциально алкилированных аналогов SAM в контексте открытия и разработки лекарств известна как алкилрандомизация . [21]

Применение в лечении рака [ править ]

В клетках человека было обнаружено, что m5C был связан с аномальными опухолевыми клетками при раке. [22] Роль и потенциальное применение m5C включает балансирование поврежденной ДНК при раке как гиперметилирования, так и гипометилирования. Эпигенетическая репарация ДНК может быть применена путем изменения количества m5C в обоих типах раковых клеток (гиперметилирование / гипометилирование), а также в окружающей среде рака, чтобы достичь эквивалентной точки для ингибирования опухолевых клеток. [23]

Примеры [ править ]

Примеры включают:

  • Катехол-О-метилтрансфераза
  • ДНК-метилтрансфераза
  • Гистоновая метилтрансфераза
  • 5-метилтетрагидрофолат-гомоцистеин метилтрансфераза
  • О-метилтрансфераза
  • метионинсинтаза
  • белок корриноид-железо-сера

Ссылки [ править ]

  1. ^ Кац, JE; Длакич, М; Кларк С. (18 июля 2003 г.). «Автоматическая идентификация предполагаемых метилтрансфераз из открытых рамок считывания генома» . Молекулярная и клеточная протеомика . 2 (8): 525–40. DOI : 10.1074 / mcp.M300037-MCP200 . PMID  12872006 .
  2. ^ a b Siedlecki, P; Зеленкевич, П (2006). «Метилтрансферазы ДНК млекопитающих» . Acta Biochimica Polonica . 53 (2): 245–56. DOI : 10,18388 / abp.2006_3337 . PMID 16582985 . 
  3. ^ Леви, Дэн; и другие. (5 декабря 2010 г.). «Метилирование лизина субъединицы NF-κB RelA с помощью SETD6 связывает активность гистон-метилтрансферазы GLP в хроматине с тонической репрессией передачи сигналов NF-κB» . Иммунология природы . 12 (1): 29–36. DOI : 10.1038 / ni.1968 . PMC 3074206 . PMID 21131967 .  
  4. ^ Тернер, Брайан М. (2001). Хроматин и регуляция генов: механизмы в эпигенетике . Мальден, Массачусетс: Наука Блэквелла. ISBN 978-0865427433.
  5. ^ Грир, Эрик L .; Ши, Ян (3 апреля 2012 г.). «Метилирование гистонов: динамический знак здоровья, болезни и наследственности» . Природа Обзоры Генетики . 13 (5): 343–357. DOI : 10.1038 / nrg3173 . PMC 4073795 . PMID 22473383 .  
  6. ^ Кларк, Пол (май 2007 г.). «Закрепление ПКР1 за хвост». Природа клеточной биологии . 9 (5): 485–487. DOI : 10.1038 / ncb0507-485 . PMID 17473856 . 
  7. ^ Лан, Дж; Хуа, S; Он, Х; Чжан, Y (2010). «ДНК-метилтрансферазы и метилсвязывающие белки млекопитающих» . Acta Biochimica et Biophysica Sinica . 42 (4): 243–52. DOI : 10,1093 / Abbs / gmq015 . PMID 20383462 . 
  8. ^ Рана, Аджай К .; Анкри, Серж (01.01.2016). «Возрождение мира РНК: взгляд на появление метилтрансфераз РНК» . Границы генетики . 7 : 99. DOI : 10,3389 / fgene.2016.00099 . PMC 4893491 . PMID 27375676 .  
  9. ^ Кесслер, Кристоф; Манта, Висентиу (1 января 1990 г.). «Специфичность рестрикционных эндонуклеаз и метилтрансфераз модификации ДНК - обзор (издание 3)». Джин . 92 (1): 1-240. DOI : 10.1016 / 0378-1119 (90) 90486-B . ISSN 0378-1119 . PMID 2172084 .  
  10. ^ Нарва, Кеннет Э .; Ван Эттен, Джеймс Л .; Слатко, Бартон Э .; Беннер, Джек С. (1988-12-25). «Аминокислотная последовательность эукариотической ДНК [N6-аденин] метилтрансферазы M · CviBIII, имеет области сходства с прокариотическим изошизомером M · TaqI и другими ДНК [N6-аденин] метилтрансферазами». Джин . 74 (1): 253–259. DOI : 10.1016 / 0378-1119 (88) 90298-3 . ISSN 0378-1119 . PMID 3248728 .  
  11. ^ Posfai Янош; Bhagwat, Ashok S .; Робертс, Ричард Дж. (1988-12-25). «Мотивы последовательностей, специфичные для цитозинметилтрансфераз». Джин . 74 (1): 261–265. DOI : 10.1016 / 0378-1119 (88) 90299-5 . ISSN 0378-1119 . PMID 3248729 .  
  12. ^ Лискомб, Дэвид К .; Луи, Гордон В .; Ноэль, Джозеф П. (2012). «Архитектура, механизмы и молекулярная эволюция метилтрансфераз природного продукта». Отчеты о натуральных продуктах . 29 (10): 1238–50. DOI : 10.1039 / c2np20029e . PMID 22850796 . 
  13. ^ Ашихара, Хироши; Ёкота, Такао; Крозье, Алан (2013). Биосинтез и катаболизм пуриновых алкалоидов . Успехи ботанических исследований. 68 . С. 111–138. DOI : 10.1016 / B978-0-12-408061-4.00004-3 . ISBN 9780124080614.
  14. ^ "PNMT фенилэтаноламин N-метилтрансфераза" . Регистр генетического тестирования NCBI . Проверено 18 февраля 2014 года .
  15. ^ «HNMT гистамин N-метилтрансфераза» . Регистр генетического тестирования NCBI . Проверено 18 февраля 2014 года .
  16. ^ "COMT катехол-O-метилтрансфераза" . Регистр генетического тестирования NCBI . Проверено 18 февраля 2014 года .
  17. ^ Рэгсдейл, SW "Катализ переноса метильных групп с участием тетрагидрофолата и B12" Витамины и гормоны , 2008.
  18. ^ a b Bauerle, Matthew R .; Schwalm, Erica L .; Букер, Сквайр Дж. (13 февраля 2015 г.). «Механистическое разнообразие радикального S-аденозилметионина (SAM) -зависимого метилирования» . Журнал биологической химии . 290 (7): 3995–4002. DOI : 10.1074 / jbc.R114.607044 . ISSN 0021-9258 . PMC 4326810 . PMID 25477520 .   
  19. ^ София, HJ; Chen, G .; Hetzler, BG; Рейес-Спиндола, Дж. Ф.; Миллер, NE (2001-03-01). «Радикальный SAM, новое суперсемейство белков, связывающее неразрешенные этапы знакомых биосинтетических путей с радикальными механизмами: функциональная характеристика с использованием новых методов анализа и визуализации информации» . Исследования нуклеиновых кислот . 29 (5): 1097–1106. DOI : 10.1093 / NAR / 29.5.1097 . ISSN 1362-4962 . PMC 29726 . PMID 11222759 .   
  20. ^ Morales G, Picazo JJ, Baos E, Candel FJ, Arribi A, B Peláez, Андраде R, де - ла - Торре MA, Fereres J, Санчес-Гарсиа M (март 2010). «Устойчивость к линезолиду опосредуется геном cfr в первом сообщении о вспышке устойчивого к линезолиду Staphylococcus aureus» . Clin. Заразить. Дис . 50 (6): 821–5. DOI : 10.1086 / 650574 . PMID 20144045 . 
  21. ^ Сингх, S; Чжан, Дж; Huber, TD; Сункара, М. Херли, К; Гофф, РД; Ван, G; Чжан, Вт; Лю, К; Рор, Дж; Ван Ланен, С. Г.; Моррис, AJ; Торсон, Дж.С. (7 апреля 2014 г.). «Простые химиоферментные стратегии для синтеза и использования аналогов S-аденозил- (L) -метионина» . Angewandte Chemie International Edition на английском языке . 53 (15): 3965–9. DOI : 10.1002 / anie.201308272 . PMC 4076696 . PMID 24616228 .  
  22. ^ Джонс, Питер А. (1996-06-01). «Ошибки метилирования ДНК и рак» . Исследования рака . 56 (11): 2463–2467. ISSN 0008-5472 . PMID 8653676 .  
  23. ^ D, Ханахан; Ра, Вайнберг (2011-03-04). «Признаки рака: следующее поколение» . Cell . 144 (5): 646–74. DOI : 10.1016 / j.cell.2011.02.013 . PMID 21376230 . 

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Метилтрансферазы в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)
  • Трехмерная структура ДНК-метилтрансферазы
  • Новая метилтрансфераза: 7SK snRNA Methylphosphate Capping Enzyme, как показано на Flintbox
  • «Роль метилирования в экспрессии генов» на сайте Nature Scitable
  • «Питание и депрессия: питание, метилирование и депрессия» о психологии сегодня
  • «Метилирование ДНК - что такое метилирование ДНК?» из News-Medical.net
  • «Метилирование гистонового лизина» Генетические пути с участием метилтрансфераз гистонов из технологии передачи сигналов клеток