Metiltransferase - Methyltransferase

SET7 / 9, uma histona metiltransferase representativa com SAM (vermelho) e peptídeo em metilação (laranja. Renderizado a partir do arquivo PDB 4J83.)
A reação de transferência de metila do tipo SN2. Apenas o cofator SAM e a base de citosina são mostrados para simplificar.

Metiltransferases são um grande grupo de enzimas que metilam seus substratos, mas podem ser divididas em várias subclasses com base em suas características estruturais. A classe mais comum de metiltransferases é a classe I, todas as quais contêm uma dobra de Rossmann para a ligação de S- adenosil metionina (SAM). Metiltransferases de classe II contêm um domínio SET, que são exemplificados por metiltransferases de histona de domínio SET , e metiltransferases de classe III, que são associadas à membrana. Metiltransferases também podem ser agrupadas como diferentes tipos, utilizando diferentes substratos em reações de transferência de metila. Esses tipos incluem metiltransferases de proteínas, metiltransferases de DNA / RNA, metiltransferases de produtos naturais e metiltransferases não dependentes de SAM. SAM é o clássico doador de metila para metiltrassferases, no entanto, exemplos de outros doadores de metila são vistos na natureza. O mecanismo geral para a transferência de metila é um ataque nucleofílico semelhante ao S N 2, em que o enxofre da metionina atua como o grupo de saída e o grupo metila ligado a ele atua como o eletrófilo que transfere o grupo de metila para o substrato da enzima. SAM é convertido em S- adenosil homocisteína (SAH) durante este processo. A quebra da ligação SAM-metila e a formação da ligação substrato-metila acontecem quase simultaneamente. Essas reações enzimáticas são encontradas em muitas vias e estão implicadas em doenças genéticas, câncer e doenças metabólicas. Outro tipo de transferência de metila é o radical S-Adenosil metionina (SAM), que é a metilação de átomos de carbono não ativados em metabólitos primários, proteínas, lipídios e RNA.

Função

Genética

A metilação, assim como outras modificações epigenéticas , afeta a transcrição , estabilidade do gene e impressão parental . Ele impacta diretamente a estrutura da cromatina e pode modular a transcrição do gene, ou mesmo silenciar completamente ou ativar genes, sem mutação no próprio gene. Embora os mecanismos desse controle genético sejam complexos, a hipo e a hipermetilação do DNA estão implicadas em muitas doenças.

Regulação de proteínas

A metilação de proteínas tem um papel regulador nas interações proteína-proteína , interações proteína-DNA e ativação de proteínas.

Exemplos: RCC1 , uma importante proteína mitótica , é metilada para que possa interagir com os centrômeros dos cromossomos. Este é um exemplo de regulação da interação proteína-proteína, uma vez que a metilação regula a ligação de RCC1 às proteínas histonas H2A e H2B . A interação RCC1-cromatina também é um exemplo de interação proteína-DNA, pois outro domínio de RCC1 interage diretamente com o DNA quando esta proteína é metilada. Quando RCC1 não é metilado, as células em divisão têm vários pólos do fuso e geralmente não podem sobreviver.

O p53 metilado na lisina para regular sua ativação e interação com outras proteínas na resposta ao dano ao DNA. Este é um exemplo de regulação das interações proteína-proteína e ativação de proteínas. O p53 é um supressor de tumor conhecido que ativa as vias de reparo do DNA , inicia a apoptose e pausa o ciclo celular . No geral, ele responde a mutações no DNA, sinalizando para a célula para corrigi-los ou para iniciar a morte celular para que essas mutações não possam contribuir para o câncer.

NF-κB (uma proteína envolvida na inflamação) é um conhecido alvo de metilação da metiltransferase SETD6 , que desativa a sinalização de NF-κB pela inibição de uma de suas subunidades, RelA . Isso reduz a ativação transcricional e a resposta inflamatória , tornando a metilação do NF-κB um processo regulador pelo qual a sinalização celular por meio dessa via é reduzida.

Metiltransferases de produtos naturais fornecem uma variedade de entradas nas vias metabólicas, incluindo a disponibilidade de cofatores, moléculas de sinalização e metabólitos. Isso regula várias vias celulares, controlando a atividade das proteínas.

Tipos

Histona metiltransferases

Esquema geral da reação catalisada por uma lisina histona metiltransferase

As histonas metiltransferases são críticas para a regulação genética no nível epigenético . Eles modificam principalmente a lisina no ε-nitrogênio e o grupo arginina guanidínio nas caudas das histonas. As metiltransferases de lisina e as metiltransferases de arginina são classes únicas de enzimas, mas ambas se ligam ao SAM como um doador de metila para seus substratos de histona . Os aminoácidos lisina podem ser modificados com um, dois ou três grupos metil, enquanto os aminoácidos arginina podem ser modificados com um ou dois grupos metil. Isso aumenta a força da carga positiva e a hidrofobicidade do resíduo , permitindo que outras proteínas reconheçam as marcas de metila. O efeito dessa modificação depende da localização da modificação na cauda da histona e das outras modificações da histona ao redor dela. A localização das modificações pode ser parcialmente determinada pela sequência de DNA, bem como por pequenos RNAs não codificantes e pela metilação do próprio DNA. Mais comumente, é a histona H3 ou H4 que é metilada em vertebrados. Pode ocorrer aumento ou diminuição da transcrição de genes em torno da modificação. O aumento da transcrição é o resultado da condensação da cromatina diminuída , enquanto a transcrição diminuída resulta do aumento da condensação da cromatina. Marcas de metila nas histonas contribuem para essas mudanças, servindo como locais para o recrutamento de outras proteínas que podem modificar ainda mais a cromatina.

Metiltransferases N-terminal

Esquema representativo de reação catalisada por N-alfa metiltransferases, com substrato representativo. O resíduo N-terminal que é modificado é Serina.

N-alfa metiltransferases transferem um grupo metil de SAM para o nitrogênio N-terminal em alvos de proteína. A metionina N-terminal é primeiro clivada por outra enzima e a sequência consenso X- Prolina- Lisina é reconhecida pela metiltransferase. Para todos os substratos conhecidos, o aminoácido X é Alanina , Serina ou Prolina. Esta reação produz uma proteína metilada e SAH. Os alvos conhecidos dessas metiltransferases em humanos incluem RCC-1 (um regulador das proteínas de transporte nuclear) e a proteína Retinoblastoma (uma proteína supressora de tumor que inibe a divisão celular excessiva). A metilação de RCC-1 é especialmente importante na mitose , pois coordena a localização de algumas proteínas nucleares na ausência do envelope nuclear . Quando o RCC-1 não é metilado, a divisão celular é anormal após a formação de pólos de fuso extras . A função da metilação do terminal N da proteína do retinoblastoma não é conhecida.

Metiltransferases de DNA / RNA

Molécula de 5'-metilcitosina com grupo metil, adicionada por uma DNA metiltransferase, destacada em vermelho

A metilação do DNA, um componente chave da regulação genética, ocorre principalmente no carbono 5 da base citosina , formando 5'metilcitosina (veja à esquerda). A metilação é uma modificação epigenética catalisada pelas enzimas DNA metiltransferase , incluindo DNMT1, DNMT2 e DNMT3. Essas enzimas usam S-adenosilmetionina como um doador de metila e contêm várias características estruturais altamente conservadas entre as três formas; estes incluem o local de ligação de S-adenosilmetionina, um par vicinal de prolina-cisteína que forma um ânion tiolato importante para o mecanismo de reação e a bolsa de ligação ao substrato de citosina. Muitas características das metiltransferases de DNA são altamente conservadas ao longo de muitas classes de vida, de bactérias a mamíferos. Além de controlar a expressão de certos genes , há uma variedade de complexos de proteínas, muitos com implicações para a saúde humana, que se ligam apenas a sítios de reconhecimento de DNA metilado . Acredita-se que muitas das primeiras DNA metiltransferases sejam derivadas de RNA metiltransferases que deveriam estar ativas no mundo do RNA para proteger muitas espécies de RNA primitivo. A metilação do RNA foi observada em diferentes tipos de espécies de RNA viz. mRNA , rRNA , tRNA , snoRNA , snRNA , miRNA , tmRNA , bem como espécies de RNA viral. As metiltransferases de RNA específicas são empregadas pelas células para marcá-las nas espécies de RNA de acordo com a necessidade e o ambiente predominante ao redor das células, que formam uma parte do campo denominado epigenética molecular . 2'-O-metilação , metilação m6A , metilação m1G, bem como m5C são mais comumente marcas de metilação observadas em diferentes tipos de RNA.

6A é uma enzima que catalisa a reação química da seguinte forma:

S-adenosil-L-metionina + DNA adenina S-adenosil-L-homocisteína + DNA 6-metilaminopurina

O m6A foi encontrado principalmente em procariotos até 2015, quando também foi identificado em alguns eucariotos. As metiltransferases m6A metilam o grupo amino no DNA na posição C-6 especificamente para evitar que o sistema hospedeiro digira o próprio genoma por meio de enzimas de restrição.

m5C desempenha um papel na regulação da transcrição do gene. As m5C transferases são as enzimas que produzem C5-metilcitosina no DNA na posição C-5 da citosina e são encontradas na maioria das plantas e em alguns eucariotos.

Metiltransferases de produto natural

A reação que converte a norepinefrina em epinefrina, catalisada por PNMT.

Metiltransferases de produtos naturais (NPMTs) são um grupo diverso de enzimas que adicionam grupos metil a pequenas moléculas produzidas naturalmente. Como muitas metiltransferases, SAM é utilizado como um doador de metila e SAH é produzido. Os grupos metil são adicionados aos átomos S, N, O ou C, e são classificados por quais desses átomos são modificados, com O-metiltransferases representando a maior classe. Os produtos metilados dessas reações têm uma variedade de funções, incluindo cofatores, pigmentos, compostos de sinalização e metabólitos. Os NPMTs podem ter uma função regulatória, modificando a reatividade e a disponibilidade desses compostos. Essas enzimas não são altamente conservadas em espécies diferentes, pois têm uma função mais específica de fornecer pequenas moléculas para vias especializadas em espécies ou grupos menores de espécies. O reflexo dessa diversidade é a variedade de estratégias catalíticas, incluindo catálise ácido-base geral , catálise baseada em metal e efeitos de proximidade e dessolvatação que não requerem aminoácidos catalíticos. Os NPMTs são a classe de metiltransferases com maior diversidade funcional.

SAM doa um grupo metil por meio de um mecanismo radical na produção de cafeína (R 1 = R 2 = R 3 = CH 3 ), teobromina (alcalóide no chocolate) (R 1 = H, R 2 = R 3 = CH 3 ) e teofilina (R 1 = R 2 = CH 3 , R 3 = H).

Exemplos importantes desta classe de enzima em humanos incluem feniletanolamina N-metiltransferase (PNMT), que converte a norepinefrina em epinefrina , e histamina N-metiltransferase (HNMT), que metila a histamina no processo de metabolismo da histamina. A catecol- O- metiltransferase (COMT) degrada uma classe de moléculas conhecidas como catcholaminas, que inclui dopamina , epinefrina e norepeneferina.

Metiltransferases não dependentes de SAM

Metanol , tetrahidrofolato de metila , mono- , di- e trimetilamina , metanotiol , metiltetrahidrometanopterina e clorometano são todos doadores de metila encontrados na biologia como doadores de grupo metila, tipicamente em reações enzimáticas usando o cofator vitamina B12 . Esses substratos contribuem para as vias de transferência de metila, incluindo a biossíntese de metionina , metanogênese e acetogênese .

Metiltransferases SAM radicais

Com base em diferentes estruturas de proteínas e mecanismos de catálise, existem 3 tipos diferentes de metilases de radical SAM (RS): Classe A, B e C. Metilases RS de classe A são as mais bem caracterizadas das 4 enzimas e estão relacionadas a RlmN e Cfr. RlmN é onipresente em bactérias que aumenta a fidelidade translacional e RlmN catalisa metilação de C2 de adenosina 2503 (A2503) em 23 S rRNA e C2 de adenosina (A37). Cfr, por outro lado, catalisa a metilação de C8 de A2503 também e também catalisa a metilação de C2. A Classe B é atualmente a maior classe de metilases radicais SAM que podem mathylate átomos de carbono hibridizados sp 2 e sp 3 em diferentes conjuntos de substratos, ao contrário da Classe A que catalisa apenas átomos de carbono hibridizados sp 2. A principal diferença que distingue a Classe B das outras é o domínio de ligação da cobalamina N-terminal adicional que se liga ao domínio RS. Metilase de classe C tem sequência homóloga com a enzima RS, coproporfirinogênio III oxidase (HemN), que também catalisa a metilação de centros de carbono hibridizados com sp 2, mas não possui as 2 cisteínas necessárias para metilação no mecanismo de Classe A.

doadores biológicos de metila com grupo metila relevante destacado em vermelho

Significado clínico

Como acontece com qualquer processo biológico que regula a expressão e / ou função do gene, a metilação anômala do DNA está associada a distúrbios genéticos, como ICF , síndrome de Rett e síndrome do X Frágil . As células cancerosas geralmente exibem menos atividade de metilação do DNA em geral, embora frequentemente hipermetilação em locais que não são metilados em células normais; essa supermetilação freqüentemente funciona como uma forma de inativar genes supressores de tumor . A inibição da atividade geral da DNA metiltransferase foi proposta como uma opção de tratamento, mas os inibidores DNMT, análogos de seus substratos de citosina , foram considerados altamente tóxicos devido à sua semelhança com a citosina (veja à direita); esta semelhança com o nucleotídeo faz com que o inibidor seja incorporado na tradução do DNA , fazendo com que o DNA não funcional seja sintetizado.

Uma metilase que altera o local de ligação do RNA ribossômico do antibiótico linezolida causa resistência cruzada a outros antibióticos que atuam no RNA ribossômico. Vetores plasmídeos capazes de transmitir este gene são uma causa de resistência cruzada potencialmente perigosa.

Exemplos de enzimas metiltransferases relevantes para a doença:

Aplicações na descoberta e desenvolvimento de drogas

Um trabalho recente revelou que as metiltransferases envolvidas na metilação de agentes anticâncer de ocorrência natural para usar análogos de S-adenosil metionina (SAM) que carregam grupos alquil alternativos como um substituto para metil. O desenvolvimento da plataforma quimioenzimática fácil para gerar e utilizar análogos de SAM diferencialmente alquilados no contexto da descoberta e desenvolvimento de drogas é conhecido como alquilrandomização .

Aplicações no tratamento do câncer

Em células humanas, descobriu-se que o m5C estava associado a células tumorais anormais no câncer. O papel e a aplicação potencial de m5C incluem o equilíbrio do DNA prejudicado no câncer, tanto a hipermetilação quanto a hipometilação. Um reparo epigenético do DNA pode ser aplicado alterando a quantidade de m5C em ambos os tipos de células cancerosas (hipermetilação / hipometilação) e também no ambiente dos cânceres para atingir um ponto equivalente para inibir as células tumorais.

Exemplos

Exemplos incluem:

Referências

Leitura adicional