Jump to content

Метилтрансфераза

SET7/9, типичная гистон-метилтрансфераза с SAM (синий) и пептидом, подвергающимся метилированию (черный). Визуализировано из PDB: 4J83.
SN2-подобная реакция переноса метила. Для простоты показаны только кофактор SAM и цитозиновое основание.

Метилтрансферазы представляют собой большую группу ферментов, которые метилируют свои субстраты, но их можно разделить на несколько подклассов в зависимости от их структурных особенностей. Наиболее распространенным классом метилтрансфераз является класс I, все из которых содержат складку Россмана для связывания S -аденозилметионина (SAM). Метилтрансферазы класса II содержат домен SET, примером которого являются метилтрансферазы гистонов с доменом SET , и метилтрансферазы класса III, которые связаны с мембраной. [1] Метилтрансферазы также можно разделить на разные типы, использующие разные субстраты в реакциях переноса метила. Эти типы включают протеин-метилтрансферазы, ДНК/РНК-метилтрансферазы, метилтрансферазы натуральных продуктов и не-SAM-зависимые метилтрансферазы. SAM является классическим донором метила для метилтрансфераз, однако в природе встречаются примеры других доноров метила. Общий механизм переноса метила представляет собой нуклеофильную атаку, подобную S N 2 , где сера метионина служит уходящей группой, а присоединенная к ней метильная группа действует как электрофил , который переносит метильную группу на ферментный субстрат. SAM превращается в S -аденозилгомоцистеин Во время этого процесса (SAH). Разрыв связи SAM-метил и образование связи субстрат-метил происходят почти одновременно. Эти ферментативные реакции встречаются во многих путях и участвуют в генетических заболеваниях, раке и метаболических заболеваниях. Другим типом переноса метила является радикал S-аденозилметионин (SAM), который представляет собой метилирование неактивированных атомов углерода в первичных метаболитах, белках, липидах и РНК.

Генетика

[ редактировать ]

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 участвует во многих заболеваниях.

Регуляция белка

[ редактировать ]

Метилирование белков играет регуляторную роль в белок-белковых взаимодействиях , взаимодействиях белок-ДНК и активации белков.

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

p53 метилирует лизин, чтобы регулировать его активацию и взаимодействие с другими белками в ответ на повреждение ДНК. Это пример регуляции белок-белковых взаимодействий и активации белков. p53 — известный супрессор опухоли , который активирует восстановления ДНК пути , инициирует апоптоз и приостанавливает клеточный цикл . В целом, он реагирует на мутации в ДНК, сигнализируя клетке исправить их или инициировать клеточную смерть, чтобы эти мутации не могли 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 ее субъединиц, RelA . Это снижает активацию транскрипции и воспалительную реакцию , делая метилирование NF-κB регуляторным процессом, посредством которого передача сигналов через этот путь клетками снижается. [3]

Природные продукты метилтрансфераз вносят разнообразный вклад в метаболические пути, включая доступность кофакторов, сигнальных молекул и метаболитов. Это регулирует различные клеточные пути, контролируя активность белка.

Гистоновые метилтрансферазы

[ редактировать ]
Общая схема реакции, катализируемой лизингистонметилтрансферазой

Гистоновые метилтрансферазы имеют решающее значение для генетической регуляции на эпигенетическом уровне. Они модифицируют в основном лизин по ε-азоту и аргинин -гуанидиниевую группу 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 остатков , позволяя другим белкам распознавать метильные метки. Эффект этой модификации зависит от местоположения модификации на хвосте гистона и других модификаций гистонов вокруг него. Местоположение модификаций может частично определяться последовательностью ДНК, а также малыми некодирующими РНК и метилированием самой ДНК. Чаще всего у позвоночных метилируется гистон H3 или H4. Вокруг модификации может происходить как повышенная, так и пониженная транскрипция генов. Повысился транскрипция является результатом снижения конденсации хроматина , тогда как снижение транскрипции является результатом повышенной конденсации хроматина. [4] Метильные метки на гистонах способствуют этим изменениям, служа местами для рекрутирования других белков, которые могут дополнительно модифицировать хроматин. [5]

N-концевые метилтрансферазы

[ редактировать ]
Репрезентативная схема реакции, катализируемой N-альфа-метилтрансферазами, с репрезентативным субстратом. Модифицированный N-концевой остаток представляет собой серин.

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

ДНК/РНК-метилтрансферазы

[ редактировать ]
Молекула 5'-метилцитозина с метильной группой, добавленной ДНК-метилтрансферазой, выделена красным.
5'-methylcytosine molecule with methyl group, added by a DNA methyltransferase, highlighted in red

Метилирование ДНК, ключевой компонент генетической регуляции, происходит преимущественно на 5-углеродном элементе основания цитозина , образуя 5'-метилцитозин (см. слева). [7] Метилирование — это эпигенетическая модификация, катализируемая ферментами ДНК-метилтрансферазой , включая DNMT1, DNMT2 (переименованный в TRDMT1, чтобы отразить его функцию по метилированию тРНК, а не ДНК) и DNMT3. Эти ферменты используют S-аденозилметионин в качестве донора метила и содержат несколько высококонсервативных структурных особенностей между тремя формами; к ним относятся сайт связывания S-аденозилметионина, вицинальная пара пролин-цистеин, которая образует тиолат-анион, важный для механизма реакции, и карман связывания цитозинового субстрата. Многие особенности ДНК-метилтрансфераз высококонсервативны во многих классах 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 должны были быть активными в мире РНК для защиты многих видов примитивных РНК. [8] Метилирование РНК наблюдалось у разных типов РНК, а именно. мРНК , рРНК , тРНК , мяРНК , мяРНК , миРНК , тмРНК , а также виды вирусных РНК. Специфические РНК-метилтрансферазы используются клетками для маркировки их на видах РНК в соответствии с потребностями и окружающей средой, преобладающей вокруг клеток, что составляет часть области, называемой молекулярной эпигенетикой . 2'-O-метилирование , метилирование m6A , метилирование m1G, а также m5C чаще всего являются метками метилирования, наблюдаемыми в различных типах РНК.

6А представляет собой фермент, который катализирует следующие химические реакции: [9]

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

m6A в основном обнаруживался у прокариот до 2015 года, а затем был идентифицирован у некоторых эукариот. Метилтрансферазы m6A метилируют аминогруппу ДНК в положении C-6 специально, чтобы не дать системе-хозяину переварить собственный геном с помощью ферментов рестрикции. [10]

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

Натуральные продукты метилтрансфераз

[ редактировать ]
Реакция превращения норадреналина в адреналин, катализируемая ПНМТ.

Метилтрансферазы натуральных продуктов (NPMT) представляют собой разнообразную группу ферментов, которые добавляют метильные группы к небольшим молекулам, полученным естественным путем. Как и многие метилтрансферазы, SAM используется в качестве донора метила и образуется SAH. Метильные группы добавляются к атомам S, N, O или C и классифицируются по тому, какой из этих атомов модифицирован, при этом 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 малые молекулы для специализированных путей у видов или меньших групп видов. Отражением этого разнообразия является разнообразие каталитических стратегий, включая общий кислотно-основной катализ , катализ на основе металлов близости и , а также эффекты десольватации , не требующие каталитических аминокислот. NPMT представляют собой наиболее функционально разнообразный класс метилтрансфераз. [12]

SAM жертвует метильную группу посредством радикального механизма при производстве кофеина (R 1 = R 2 = R 3 = CH 3 ), теобромина (алкалоида 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 у людей включают фенилэтаноламин-N-метилтрансферазу (PNMT), которая превращает норадреналин в адреналин . [14] и гистамин-N-метилтрансфераза (HNMT), которая метилирует гистамин в процессе метаболизма гистамина. [15] Катехол -метилтрансфераза (КОМТ) разрушает класс молекул, известный как катхоламины , который включает дофамин , адреналин и норэпенеферин. [16]

Не-SAM-зависимые метилтрансферазы

[ редактировать ]

Метанол , метилтетрагидрофолат , моно- , ди- и триметиламин , метантиол , метилтетрагидрометаноптерин и хлорметан — все это доноры метила, обнаруженные в биологии в качестве доноров метильных групп, обычно в ферментативных реакциях с использованием кофактора витамина B12 . [17] Эти субстраты участвуют в путях переноса метила, включая биосинтез метионина , метаногенез и ацетогенез .

Радикальные SAM-метилтрансферазы

[ редактировать ]

В зависимости от различных белковых структур и механизмов катализа существует три различных типа радикальных SAM (RS) метилаз: класса A, B и C. RS-метилазы класса A лучше всего охарактеризованы из четырех ферментов и связаны как с RlmN, так и с RlmN. Сфр. RlmN повсеместно встречается у бактерий, что повышает точность трансляции, а RlmN катализирует метилирование C2 аденозина 2503 (A2503) в 23 S рРНК и C2 аденозина (A37). Cfr, с другой стороны, также катализирует метилирование C8 A2503, а также катализирует метилирование C2. [18] Класс B в настоящее время является крупнейшим классом радикальных SAM-метилаз, которые могут метилировать как sp 2-гибридные, так и sp 3-гибридизированные атомы углерода в различных наборах субстратов, в отличие от класса A, который катализирует только sp 2-гибридизированные атомы углерода. Основным отличием класса B от других является дополнительный N-концевой домен, связывающий кобаламин, который связывается с доменом RS. [19] Метилаза класса C имеет гомологичную последовательность с ферментом RS, копропорфириноген III оксидазой (HemN), который также катализирует метилирование sp 2-гибридизированных углеродных центров, но в ней отсутствуют 2 цистеина, необходимые для метилирования по механизму класса A. [18]

Клиническое значение

[ редактировать ]
биологические доноры метила, у которых соответствующая метильная группа выделена красным

Как и любой биологический процесс, который регулирует экспрессию и/или функцию генов, аномальное метилирование ДНК связано с генетическими нарушениями, такими как ИКФ , синдром Ретта и синдром ломкой Х-хромосомы . [2] Раковые клетки обычно проявляют меньшую активность метилирования ДНК в целом, хотя часто наблюдается гиперметилирование в участках, которые неметилированы в нормальных клетках; это сверхметилирование часто действует как способ инактивации генов-супрессоров опухолей . В качестве варианта лечения было предложено ингибировать общую активность ДНК-метилтрансферазы, но было обнаружено, что ингибиторы DNMT, аналоги их цитозиновых субстратов, высокотоксичны из-за их сходства с цитозином (см. Справа); это сходство с нуклеотидом приводит к включению ингибитора в трансляцию ДНК , вызывая синтез нефункционирующей ДНК.

Метилаза, которая изменяет сайт связывания рибосомальной РНК антибиотика линезолида, вызывает перекрестную устойчивость к другим антибиотикам, действующим на рибосомальную РНК. Плазмидные векторы, способные передавать этот ген, являются причиной потенциально опасной перекрестной резистентности. [20]

Примеры ферментов метилтрансфераз, имеющих отношение к заболеванию:

Применение в открытии и разработке лекарств

[ редактировать ]

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

Применение в лечении рака

[ редактировать ]

В клетках человека было обнаружено, что m5C связан с аномальными опухолевыми клетками при раке. [22] Роль и потенциальное применение m5C включают в себя балансировку нарушенной ДНК при раке как гиперметилирования, так и гипометилирования. Эпигенетическое восстановление ДНК может быть применено путем изменения количества m5C в обоих типах раковых клеток (гиперметилирование/гипометилирование), а также окружающей среды рака, чтобы достичь эквивалентной точки для ингибирования опухолевых клеток. [23]

Примеры включают в себя:

  1. ^ Кац, Дж. Э.; Длакич, М; Кларк С. (18 июля 2003 г.). «Автоматическая идентификация предполагаемых метилтрансфераз из геномных открытых рамок считывания» . Молекулярная и клеточная протеомика . 2 (8): 525–40. дои : 10.1074/mcp.M300037-MCP200 . ПМИД   12872006 .
  2. ^ Jump up to: а б Седлецкий, П; Зеленкевич, П. (2006). «ДНК-метилтрансферазы млекопитающих» . Акта Биохимика Полоника . 53 (2): 245–56. дои : 10.18388/abp.2006_3337 . ПМИД   16582985 .
  3. ^ Леви, Дэн; и др. (5 декабря 2010 г.). «Метилирование лизина субъединицы RelA NF-κB с помощью SETD6 связывает активность гистон-метилтрансферазы GLP в хроматине с тонической репрессией передачи сигналов NF-κB» . Природная иммунология . 12 (1): 29–36. дои : 10.1038/н.1968 . ПМК   3074206 . ПМИД   21131967 .
  4. ^ Тернер, Брайан М. (2001). Хроматин и регуляция генов: механизмы в эпигенетике . Молден, Массачусетс: Blackwell Science. ISBN  978-0865427433 .
  5. ^ Грир, Эрик Л.; Ши, Ян (3 апреля 2012 г.). «Метилирование гистонов: динамический показатель здоровья, болезней и наследования» . Обзоры природы Генетика . 13 (5): 343–357. дои : 10.1038/nrg3173 . ПМК   4073795 . ПМИД   22473383 .
  6. ^ Кларк, Пол (май 2007 г.). «Закрепление RCC1 за хвост». Природная клеточная биология . 9 (5): 485–487. дои : 10.1038/ncb0507-485 . ПМИД   17473856 . S2CID   711645 .
  7. ^ Лан, Дж; Хуа, С; Он, Х; Чжан, Ю (2010). «ДНК-метилтрансферазы и метилсвязывающие белки млекопитающих». Acta Biochimica et Biophysica Sinica . 42 (4): 243–52. дои : 10.1093/abbs/gmq015 . ПМИД   20383462 .
  8. ^ Рана, Аджай К.; Анкри, Серж (01 января 2016 г.). «Возрождение мира РНК: взгляд на появление РНК-метилтрансфераз» . Границы генетики . 7:99 . дои : 10.3389/fgene.2016.00099 . ПМЦ   4893491 . ПМИД   27375676 .
  9. ^ Кесслер, Кристоф; Манта, Висентиу (1 января 1990 г.). «Специфичность эндонуклеаз рестрикции и метилтрансфераз модификации ДНК - обзор (издание 3)». Джин . 92 (1): 1–240. дои : 10.1016/0378-1119(90)90486-Б . ISSN   0378-1119 . ПМИД   2172084 .
  10. ^ Нарва, Кеннет Э.; Ван Эттен, Джеймс Л.; Слатко, Бартон Э.; Беннер, Джек С. (25 декабря 1988 г.). «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. дои : 10.1016/0378-1119(88)90298-3 . ISSN   0378-1119 . ПМИД   3248728 .
  11. ^ Посфаи, Янош; Бхагват, Ашок С.; Робертс, Ричард Дж. (25 декабря 1988 г.). «Мотивы последовательности, специфичные для цитозинметилтрансфераз». Джин . 74 (1): 261–265. дои : 10.1016/0378-1119(88)90299-5 . ISSN   0378-1119 . ПМИД   3248729 .
  12. ^ Лискомб, Дэвид К.; Луи, Гордон В.; Ноэль, Джозеф П. (2012). «Архитектура, механизмы и молекулярная эволюция натуральных продуктов метилтрансфераз». Отчеты о натуральных продуктах . 29 (10): 1238–50. дои : 10.1039/c2np20029e . ПМИД   22850796 .
  13. ^ Ашихара, Хироши; Ёкота, Такао; Крозье, Алан (2013). Биосинтез и катаболизм пуриновых алкалоидов . Достижения в ботанических исследованиях. Том. 68. стр. 111–138. дои : 10.1016/B978-0-12-408061-4.00004-3 . ISBN  9780124080614 .
  14. ^ «PNMT фенилэтаноламин N-метилтрансфераза» . Реестр генетических тестов NCBI . Проверено 18 февраля 2014 г.
  15. ^ «HNMT гистамин-N-метилтрансфераза» . Реестр генетических тестов NCBI . Проверено 18 февраля 2014 г.
  16. ^ «КОМТ-катехин-О-метилтрансфераза» . Реестр генетических тестов NCBI . Проверено 18 февраля 2014 г.
  17. ^ Рэгсдейл, SW «Катализ переноса метильных групп с участием тетрагидрофолата и B12» Витамины и гормоны , 2008.
  18. ^ Jump up to: а б Бауэрле, Мэтью Р.; Швальм, Эрика Л.; Букер, Сквайр Дж. (13 февраля 2015 г.). «Механистическое разнообразие радикального S-аденозилметионина (SAM)-зависимого метилирования» . Журнал биологической химии . 290 (7): 3995–4002. дои : 10.1074/jbc.R114.607044 . ISSN   0021-9258 . ПМК   4326810 . ПМИД   25477520 .
  19. ^ София, ГЮ; Чен, Г.; Хетцлер, Б.Г.; Рейес-Спиндола, Дж. Ф.; Миллер, штат Невада (01 марта 2001 г.). «Радикальный SAM, новое суперсемейство белков, связывающее нерешенные этапы знакомых путей биосинтеза с радикальными механизмами: функциональная характеристика с использованием новых методов анализа и визуализации информации» . Исследования нуклеиновых кислот . 29 (5): 1097–1106. дои : 10.1093/нар/29.5.1097 . ISSN   1362-4962 . ПМК   29726 . ПМИД   11222759 .
  20. ^ Моралес Дж., Пикасо Х.Дж., Баос Э., Кандел Ф.Дж., Арриби А., Пелаес Б., Андраде Р., де ла Торре М.А., Феререс Х., Санчес-Гарсиа М. (март 2010 г.). «Устойчивость к линезолиду опосредована геном cfr в первом сообщении о вспышке резистентного к линезолиду Staphylococcus aureus» . Клин. Заразить. Этот . 50 (6): 821–5. дои : 10.1086/650574 . ПМИД   20144045 .
  21. ^ Сингх, С; Чжан, Дж; Хубер, Т.Д.; Сункара, М; Херли, К; Гофф, Р.Д.; Ван, Дж; Чжан, В; Лю, С; Рор, Дж; Ван Ланен, генеральный директор; Моррис, Эй Джей; Торсон, Дж.С. (7 апреля 2014 г.). «Простые химиоферментативные стратегии синтеза и использования аналогов S-аденозил-(L)-метионина» . Angewandte Chemie International Edition на английском языке . 53 (15): 3965–9. дои : 10.1002/anie.201308272 . ПМК   4076696 . ПМИД   24616228 .
  22. ^ Джонс, Питер А. (1 июня 1996 г.). «Ошибки метилирования ДНК и рак» . Исследования рака . 56 (11): 2463–2467. ISSN   0008-5472 . ПМИД   8653676 .
  23. ^ Д, Ханахан; Ра, Вайнберг (4 марта 2011 г.). «Признаки рака: следующее поколение» . Клетка . 144 (5): 646–74. дои : 10.1016/j.cell.2011.02.013 . ПМИД   21376230 .

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 5cab6ded850e75a9c3bff11bd8b747b6__1716990180
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/5c/b6/5cab6ded850e75a9c3bff11bd8b747b6.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Methyltransferase - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)