Метилирование белка

Метилирование белков — это тип посттрансляционной модификации, заключающийся в добавлении метильных групп к белкам . Это может произойти на азотсодержащих боковых цепях аргинина и лизина . ^[1]^[2] но также на амино- и карбокси-концах ряда различных белков. В биологии метилтрансферазы катализируют процесс метилирования, активируемый преимущественно S-аденозилметионином . белков Метилирование наиболее изучено в гистонах , где перенос метильных групп от S-аденозилметионина катализируется гистоновыми метилтрансферазами . Гистоны, метилированные по определенным остаткам, могут действовать эпигенетически, подавляя или активируя экспрессию генов. ^[3]^[4]

Метилирование субстратом

Множественные сайты белков могут быть метилированы. Для некоторых типов метилирования, таких как N-концевое метилирование и метилирование пренилцистеина, требуется дополнительная обработка, тогда как другие типы метилирования, такие как метилирование аргинина и метилирование лизина, не требуют предварительной обработки.

Аргинин

Аргинин может быть метилирован один раз (монометилированный аргинин) или дважды (диметилированный аргинин). Метилирование остатков аргинина катализируется тремя различными классами протеинаргининметилтрансфераз (PRMT): PRMT I типа (PRMT1, PRMT2, PRMT3, PRMT4, PRMT6 и PRMT8) присоединяют две метильные группы к одному концевому атому азота, образуя асимметричный диметиларгинин ( PRMT1, PRMT2, PRMT3, PRMT4, PRMT6 и PRMT8). N G,N G-диметиларгинин). Напротив, PRMT типа II (PRMT5 и PRMT9) катализируют образование симметричного диметиларгинина с одной метильной группой на каждом концевом азоте (симметричный NG,N'G-диметиларгинин). PRMT типа I и II генерируют промежуточные соединения N G-монометиларгинина; PRMT7, единственный известный PRMT III типа, производит только монометилированный аргинин. ^[5]

Метилирование аргинина обычно происходит в участках глицина и богатых аргинином, называемых «мотивами GAR». ^[6] что, вероятно, связано с повышенной гибкостью этих областей, которая позволяет вставлять аргинин в активный сайт PRMT. Тем не менее, PRMT с консенсусными последовательностями, отличными от GAR, существуют. ^[5] PRMT присутствуют как в ядре, так и в цитоплазме. При взаимодействии белков с нуклеиновыми кислотами остатки аргинина являются важными донорами водородных связей для фосфатного остова — было обнаружено, что многие метилированные аргинином белки взаимодействуют с ДНК или РНК. ^[6]^[7]

Ферменты, облегчающие гистонов ацетилирование ^{[ нужна ссылка ]} а также сами гистоны могут быть метилированы аргинином. Метилирование аргинина влияет на взаимодействие между белками и участвует в различных клеточных процессах, включая транспортировку белков, передачу сигналов и регуляцию транскрипции. ^[6] В эпигенетике метилирование аргинином гистонов H3 и H4 связано с более доступной структурой хроматина и, следовательно, с более высокими уровнями транскрипции. Существование аргининдеметилаз, которые могут обратить вспять метилирование аргинина, является спорным. ^[5]

Лизин

Лизин может быть метилирован один, два или три раза лизинметилтрансферазами (ПКМТ). ^[8] Большинство лизинметилтрансфераз содержат эволюционно консервативный домен SET , который обладает S-аденозилметионин -зависимой метилтрансферазной активностью, но структурно отличается от других белков, связывающих S-аденозилметионин. Метилирование лизина играет центральную роль во взаимодействии гистонов с белками. ^[9] Метилирование лизина можно обратить вспять лизиндеметилазами ( PKDM). ^[8]

Различные белки, содержащие домен SET, обладают различной субстратной специфичностью. Например, SET1, SET7 и MLL метилируют лизин 4 гистона H3, тогда как Suv39h1, ESET и G9a специфически метилируют лизин 9 гистона H3. Метилирование лизина 4 и лизина 9 являются взаимоисключающими, а эпигенетические последствия сайт-специфического метилирования диаметрально противоположны: метилирование лизина 4 коррелирует с активным состоянием транскрипции, тогда как метилирование лизина 9 связано с репрессией транскрипции и гетерохроматином. Другие остатки лизина на гистоне H3 и гистоне H4 также являются важными сайтами метилирования специфическими ферментами, содержащими домен SET. Хотя гистоны являются основной мишенью лизинметилтрансфераз, другие клеточные белки несут остатки N-метиллизина, включая фактор элонгации 1А и кальций-чувствительный белок кальмодулин . ^[9]

N-концевое метилирование

Многие эукариотические белки подвергаются посттрансляционной модификации на своем N-конце. Распространенной формой N-концевой модификации является N-концевое метилирование (Nt-метилирование) N-концевыми метилтрансферазами (NTMT). Белки, содержащие консенсусный мотив H ₂ N-X-Pro-Lys- (где X может представлять собой Ala, Pro или Ser), после удаления инициатора метионина (iMet) могут подвергаться N-концевому α-аминометилированию. ^[10] Монометилирование может оказывать незначительное влияние на нуклеофильность и основность α-аминоазота, тогда как триметилирование (или диметилирование в случае пролина) приведет к отмене нуклеофильности и постоянному положительному заряду на N-концевой аминогруппе. Хотя с биохимической точки зрения деметилирование аминов возможно, Nt-метилирование считается необратимым, поскольку на сегодняшний день не описана N-концевая деметилаза. ^[10] варианты гистонов CENP-A и CENP-B Nt-метилированы in vivo. Было обнаружено, что ^[10]

Пренилцистеин

Эукариотические белки, С-концы которых заканчиваются мотивом CAAX, часто подвергаются ряду посттрансляционных модификаций. Процессинг CAAX-хвоста происходит в три этапа: во-первых, прениловый липидный якорь прикрепляется к цистеину посредством тиоэфирной связи. Затем происходит эндопротеолиз с удалением последних трех аминокислот белка и обнажением группы α-СООН пренилцистеина. Наконец, экспонированная группа пренилцистеина метилируется. Важность этой модификации можно увидеть в целенаправленном разрушении метилтрансферазы белков CAAX мыши, при этом потеря изопренилцистеинкарбоксилметилтрансферазы приводила к летальности в середине беременности. ^[11]

Биологическая функция метилирования пренилцистеина заключается в облегчении нацеливания белков CAAX на поверхности мембран внутри клеток. Пренилцистеин может быть деметилирован, и эта обратная реакция катализируется изопренилцистеинкарбоксилметилэстеразами. CAAX-бокс, содержащий белки, метилированные пренилцистеином, включает Ras , GTP-связывающие белки, ядерные ламины и некоторые протеинкиназы . Многие из этих белков участвуют в передаче сигналов в клетках и используют метилирование пренилцистеина для концентрации их на цитозольной поверхности плазматической мембраны, где они функционируют. ^[11]

Метилирование на С-конце может расширить химический репертуар белка. ^[12] и, как известно, оказывают существенное влияние на функции белка. ^[1]

Протеинфосфатаза 2

В эукариотических клетках фосфатазы катализируют удаление фосфатных групп из тирозиновых, сериновых и треониновых фосфопротеинов. Каталитическая субъединица основных серин/треониновых фосфатаз, таких как протеинфосфатаза 2, ковалентно модифицируется путем обратимого метилирования ее С-конца с образованием лейцина карбоксиметилового эфира . В отличие от метилирования мотива CAAX, для облегчения метилирования не требуется процессинга С-конца. Это событие С-концевого метилирования регулирует рекрутирование регуляторных белков в комплексы посредством стимуляции межбелковых взаимодействий, тем самым косвенно регулируя активность комплекса серин-треонинфосфатазы. ^[13] Метилирование катализируется уникальной протеинфосфатазой метилтрансферазой. Метильная группа удаляется специфической протеинфосфатазой метилэстеразой. Эти два противоположных фермента делают метилирование серин-треонинфосфатазы динамическим процессом в ответ на стимулы. ^[13]

L-изоаспартил

Поврежденные белки накапливают изоаспартил , который вызывает нестабильность белков, потерю биологической активности и стимуляцию аутоиммунных реакций. Спонтанная возрастная деградация остатков L-аспартила приводит к образованию сукцинимидилового промежуточного соединения - сукцинимидного радикала. Он самопроизвольно гидролизуется либо обратно до L-аспартила, либо, в более благоприятной реакции, до аномального L-изоаспартила. Существует зависимый от метилтрансферазы путь превращения L-изоаспартила обратно в L-аспартил. Чтобы предотвратить накопление L-изоаспартила, этот остаток метилируется белком L-изоаспартилметилтрансферазой , который катализирует образование метилового эфира, который, в свою очередь, снова превращается в сукцинимидиловый интермедиат. ^[14] Утрата и приобретение функциональных мутаций раскрыли биологическую важность L-изоаспартил-О-метилтрансферазы в возрастных процессах: мыши, лишенные этого фермента, умирают молодыми от фатальной эпилепсии, тогда как у мух, созданных для сверхэкспрессии его, продолжительность жизни увеличивается на более 30%. ^[14]

Физические эффекты

Общей темой для метилированных белков, как и для фосфорилированных белков, является роль, которую эта модификация играет в регуляции белок-белковых взаимодействий . Метилирование белков аргинином может как ингибировать, так и способствовать межбелковым взаимодействиям в зависимости от типа метилирования. Асимметричное диметилирование остатков аргинина в непосредственной близости от мотивов, богатых пролином, может ингибировать связывание с доменами SH3 . ^[15] Противоположный эффект наблюдается при взаимодействии между белком выживаемости двигательных нейронов и белками snRNP SmD1, SmD3 и SmB/B', где связыванию способствует симметричное диметилирование остатков аргинина в белках snRNP. ^[16]

Хорошо охарактеризованный пример белок-белкового взаимодействия, зависимого от метилирования, связан с селективным метилированием лизина 9 с помощью SUV39H1 на N-концевом хвосте гистона H3 . ^[9] Ди- и триметилирование этого остатка лизина облегчает связывание белка 1 гетерохроматина (HP1). Поскольку HP1 и Suv39h1 взаимодействуют, считается, что связывание HP1 с гистоном H3 сохраняется и даже позволяет ему распространяться по хроматину. Белок HP1 содержит хромодомен , который отвечает за метилзависимое взаимодействие между ним и лизином 9 гистона H3. Вполне вероятно, что дополнительные белки, содержащие хромодомены, будут связываться с тем же сайтом, что и HP1, и с другими метилированными лизином положениями на гистонах H3 и гистоне H4 . ^[13]

Метилирование С-концевого белка регулирует сборку протеинфосфатазы. Метилирование каталитической субъединицы протеинфосфатазы 2А усиливает связывание регуляторной субъединицы B и облегчает сборку голофермента. ^[13]

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Шуберт, Х.; Блюменталь, Р.; Ченг, X. (2007). «1 Белковые метилтрансферазы: их распределение среди пяти структурных классов адомет-зависимых метилтрансфераз 1». Ферменты . 24 : 3–22. дои : 10.1016/S1874-6047(06)80003-X . ISBN 9780121227258 . ПМИД 26718035 .
^ Уолш, Кристофер (2006). «Глава 5 – Метилирование белков» (PDF) . Посттрансляционная модификация белков: расширение запасов природы . Издательство Робертс и Ко. ISBN 0-9747077-3-2 . Архивировано из оригинала (PDF) 29 декабря 2009 г.
^ Гревал, С.И.; Райс, Дж. К. (2004). «Регуляция гетерохроматина посредством метилирования гистонов и малых РНК» . Современное мнение в области клеточной биологии . 16 (3): 230–238. дои : 10.1016/j.ceb.2004.04.002 . ПМИД 15145346 .
^ Накаяма, Дж. -И.; Райс, Дж. К.; Страл, Б.Д.; Эллис, компакт-диск; Гревал, С.И. (2001). «Роль метилирования гистона H3 лизина 9 в эпигенетическом контроле сборки гетерохроматина» . Наука . 292 (5514): 110–113. Бибкод : 2001Sci...292..110N . дои : 10.1126/science.1060118 . ПМИД 11283354 . S2CID 16975534 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Блан, Ромео С.; Ричард, Стефан (2017). «Метилирование аргинина: достижение совершеннолетия» . Молекулярная клетка . 65 (1): 8–24. дои : 10.1016/j.molcel.2016.11.003 . ПМИД 28061334 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Макбрайд, А.; Сильвер, П. (2001). «Состояние Arg: метилирование белка при достижении аргинином совершеннолетия» . Клетка . 106 (1): 5–8. дои : 10.1016/S0092-8674(01)00423-8 . ПМИД 11461695 . S2CID 17755108 .
^ Бедфорд, Марк Т.; Кларк, Стивен Г. (2009). «Метилирование белка аргинина у млекопитающих: кто, что и почему» . Молекулярная клетка . 33 (1): 1–13. doi : 10.1016/j.molcel.2008.12.013 . ПМЦ 3372459 . ПМИД 19150423 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Ван, Ю-Че; Петерсон, Сюзанна Э.; Лоринг, Жанна Ф. (2013). «Посттрансляционные модификации белков и регуляция плюрипотентности стволовых клеток человека» . Клеточные исследования . 24 (2): 143–160. дои : 10.1038/cr.2013.151 . ПМЦ 3915910 . ПМИД 24217768 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Кузаридес, Т (2002). «Метилирование гистонов в контроле транскрипции». Текущее мнение в области генетики и развития . 12 (2): 198–209. дои : 10.1016/S0959-437X(02)00287-3 . ПМИД 11893494 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Варланд, Сильвия; Осберг, Камилла; Арнесен, Томас (2015). «N-концевые модификации клеточных белков: задействованные ферменты, их субстратная специфичность и биологические эффекты» . Протеомика . 15 (14): 2385–2401. дои : 10.1002/pmic.201400619 . ПМЦ 4692089 . ПМИД 25914051 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Берго, М (2000). «Дефицит изопренилцистеинкарбоксилметилтрансферазы у мышей» . Журнал биологической химии . 276 (8): 5841–5845. дои : 10.1074/jbc.c000831200 . ПМИД 11121396 .
^ Кларк, С. (1993). «Метилирование белка». Курс. Мнение. Клеточная Биол . 5 (6): 977–83. дои : 10.1016/0955-0674(93)90080-A . ПМИД 8129951 . S2CID 27529138 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Толстых, Т (2000). «Карбоксильное метилирование регулирует фосфопротеинфосфатазу 2А, контролируя ассоциацию регуляторных субъединиц B» . Журнал ЭМБО . 19 (21): 5682–5691. дои : 10.1093/emboj/19.21.5682 . ПМК 305779 . ПМИД 11060019 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Кларк, С. (2003). «Старение как война между химическими и биохимическими процессами: метилирование белков и распознавание поврежденных возрастом белков для восстановления». Обзоры исследований старения . 2 (3): 263–285. дои : 10.1016/S1568-1637(03)00011-4 . ПМИД 12726775 . S2CID 18135051 .
^ Бедфорд, М. (2000). «Метилирование аргинина ингибирует связывание богатых пролином лигандов с Src-гомологией 3, но не с WW-доменами» . Журнал биологической химии . 275 (21): 16030–16036. дои : 10.1074/jbc.m909368199 . ПМИД 10748127 .
^ Фризен, В.; Массне, С.; Паушкин С.; Вайс, А.; Дрейфус, Г. (2001). «SMN, продукт гена спинальной мышечной атрофии, преимущественно связывается с диметиларгинин-содержащими белками-мишенями» . Молекулярная клетка . 7 (5): 1111–1117. дои : 10.1016/S1097-2765(01)00244-1 . ПМИД 11389857 .

[Schubert_2007-1] Перейти обратно: ^а ^б Шуберт, Х.; Блюменталь, Р.; Ченг, X. (2007). «1 Белковые метилтрансферазы: их распределение среди пяти структурных классов адомет-зависимых метилтрансфераз 1». Ферменты . 24 : 3–22. дои : 10.1016/S1874-6047(06)80003-X . ISBN 9780121227258 . ПМИД 26718035 .

[isbn0-9747077-3-2.-2] Уолш, Кристофер (2006). «Глава 5 – Метилирование белков» (PDF) . Посттрансляционная модификация белков: расширение запасов природы . Издательство Робертс и Ко. ISBN 0-9747077-3-2 . Архивировано из оригинала (PDF) 29 декабря 2009 г.

[Grewal2004-3] Гревал, С.И.; Райс, Дж. К. (2004). «Регуляция гетерохроматина посредством метилирования гистонов и малых РНК» . Современное мнение в области клеточной биологии . 16 (3): 230–238. дои : 10.1016/j.ceb.2004.04.002 . ПМИД 15145346 .

[Nakayama2001-4] Накаяма, Дж. -И.; Райс, Дж. К.; Страл, Б.Д.; Эллис, компакт-диск; Гревал, С.И. (2001). «Роль метилирования гистона H3 лизина 9 в эпигенетическом контроле сборки гетерохроматина» . Наука . 292 (5514): 110–113. Бибкод : 2001Sci...292..110N . дои : 10.1126/science.1060118 . ПМИД 11283354 . S2CID 16975534 .

[Blanc_2017-5] Перейти обратно: ^а ^б ^с Блан, Ромео С.; Ричард, Стефан (2017). «Метилирование аргинина: достижение совершеннолетия» . Молекулярная клетка . 65 (1): 8–24. дои : 10.1016/j.molcel.2016.11.003 . ПМИД 28061334 .

[McBride_2001-6] Перейти обратно: ^а ^б ^с Макбрайд, А.; Сильвер, П. (2001). «Состояние Arg: метилирование белка при достижении аргинином совершеннолетия» . Клетка . 106 (1): 5–8. дои : 10.1016/S0092-8674(01)00423-8 . ПМИД 11461695 . S2CID 17755108 .

[Bedford_2009-7] Бедфорд, Марк Т.; Кларк, Стивен Г. (2009). «Метилирование белка аргинина у млекопитающих: кто, что и почему» . Молекулярная клетка . 33 (1): 1–13. doi : 10.1016/j.molcel.2008.12.013 . ПМЦ 3372459 . ПМИД 19150423 .

[Wang_2013-8] Перейти обратно: ^а ^б Ван, Ю-Че; Петерсон, Сюзанна Э.; Лоринг, Жанна Ф. (2013). «Посттрансляционные модификации белков и регуляция плюрипотентности стволовых клеток человека» . Клеточные исследования . 24 (2): 143–160. дои : 10.1038/cr.2013.151 . ПМЦ 3915910 . ПМИД 24217768 .

[Kouzarides_2002-9] Перейти обратно: ^а ^б ^с Кузаридес, Т (2002). «Метилирование гистонов в контроле транскрипции». Текущее мнение в области генетики и развития . 12 (2): 198–209. дои : 10.1016/S0959-437X(02)00287-3 . ПМИД 11893494 .

[Varland_2015-10] Перейти обратно: ^а ^б ^с Варланд, Сильвия; Осберг, Камилла; Арнесен, Томас (2015). «N-концевые модификации клеточных белков: задействованные ферменты, их субстратная специфичность и биологические эффекты» . Протеомика . 15 (14): 2385–2401. дои : 10.1002/pmic.201400619 . ПМЦ 4692089 . ПМИД 25914051 .

[Bergo_2000-11] Перейти обратно: ^а ^б Берго, М (2000). «Дефицит изопренилцистеинкарбоксилметилтрансферазы у мышей» . Журнал биологической химии . 276 (8): 5841–5845. дои : 10.1074/jbc.c000831200 . ПМИД 11121396 .

[Clarke_1993-12] Кларк, С. (1993). «Метилирование белка». Курс. Мнение. Клеточная Биол . 5 (6): 977–83. дои : 10.1016/0955-0674(93)90080-A . ПМИД 8129951 . S2CID 27529138 .

[Tolstykh_2000-13] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Толстых, Т (2000). «Карбоксильное метилирование регулирует фосфопротеинфосфатазу 2А, контролируя ассоциацию регуляторных субъединиц B» . Журнал ЭМБО . 19 (21): 5682–5691. дои : 10.1093/emboj/19.21.5682 . ПМК 305779 . ПМИД 11060019 .

[Clarke_2003-14] Перейти обратно: ^а ^б Кларк, С. (2003). «Старение как война между химическими и биохимическими процессами: метилирование белков и распознавание поврежденных возрастом белков для восстановления». Обзоры исследований старения . 2 (3): 263–285. дои : 10.1016/S1568-1637(03)00011-4 . ПМИД 12726775 . S2CID 18135051 .

[Bedford_2000-15] Бедфорд, М. (2000). «Метилирование аргинина ингибирует связывание богатых пролином лигандов с Src-гомологией 3, но не с WW-доменами» . Журнал биологической химии . 275 (21): 16030–16036. дои : 10.1074/jbc.m909368199 . ПМИД 10748127 .

[Friesen_2001-16] Фризен, В.; Массне, С.; Паушкин С.; Вайс, А.; Дрейфус, Г. (2001). «SMN, продукт гена спинальной мышечной атрофии, преимущественно связывается с диметиларгинин-содержащими белками-мишенями» . Молекулярная клетка . 7 (5): 1111–1117. дои : 10.1016/S1097-2765(01)00244-1 . ПМИД 11389857 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]