Metylacja białka - Protein methylation

Metylacja białek to rodzaj modyfikacji potranslacyjnej polegającej na dodawaniu grup metylowych do białek. Może występować na zawierających azot łańcuchach bocznych argininy i lizyny , ale także na końcach aminowych i karboksylowych wielu różnych białek. W biologii metylotransferazy katalizują proces metylacji, aktywowany głównie przez S-adenozylometioninę . Metylacja białka była najbardziej badana w histonach , gdzie przeniesienie grup metylowych z S- adenozylometioniny jest katalizowane przez metylotransferazy histonowe . Histony, które są metylowane na niektórych resztach, mogą działać epigenetycznie, hamując lub aktywując ekspresję genów.

Metylacja przez substrat

Wiele miejsc białek może być metylowanych. W przypadku niektórych rodzajów metylacji, takich jak metylacja N-końcowa i metylacja prenylocysteiny, wymagana jest dodatkowa obróbka, podczas gdy inne rodzaje metylacji, takie jak metylacja argininy i metylacja lizyny, nie wymagają wstępnego przetwarzania.

Arginina

Metylacja argininy przez PRMT typu I i II.

Arginina może być metylowana jednokrotnie (monometylowana arginina) lub dwukrotnie (dimetylowana arginina). Metylacja reszt argininy jest katalizowana przez trzy różne klasy białkowych metylotransferaz argininowych (PRMT): PRMT typu I (PRMT1, PRMT2, PRMT3, PRMT4, PRMT6 i PRMT8) przyłączają dwie grupy metylowe do pojedynczego końcowego atomu azotu, tworząc asymetryczną dimetyloargininę ( NG,N G-dimetyloarginina). Przeciwnie, PRMT typu II (PRMT5 i PRMT9) katalizują tworzenie symetrycznej dimetyloargininy z jedną grupą metylową na każdym końcowym azocie (symetryczna N G, N' G-dimetyloarginina). Zarówno PRMT typu I, jak i typu II wytwarzają półprodukty N G-monometyloargininy; PRMT7, jedyny znany PRMT typu III, wytwarza tylko monometylowaną argininę.

Metylacja argininy zwykle zachodzi w regionach bogatych w glicynę i argininę, zwanych „motywami GAR”, co jest prawdopodobnie spowodowane zwiększoną elastycznością tych regionów, która umożliwia wstawienie argininy do miejsca aktywnego PRMT. Niemniej jednak istnieją PRMT z sekwencjami konsensusowymi innymi niż GAR. PRMTs są obecne w jądrze, jak również w cytoplazmie. W interakcjach białek z kwasami nukleinowymi reszty argininy są ważnymi donorami wiązań wodorowych dla szkieletu fosforanowego — stwierdzono, że wiele białek z metylacją argininy wchodzi w interakcje z DNA lub RNA.

Enzymy ułatwiające acetylację histonów, a także same histony, mogą być metylowane argininą. Metylacja argininy wpływa na interakcje między białkami i jest zaangażowana w różne procesy komórkowe, w tym transport białek, transdukcję sygnału i regulację transkrypcji. W epigenetyce metylacja argininy histonów H3 i H4 jest związana z bardziej dostępną strukturą chromatyny, a tym samym wyższymi poziomami transkrypcji. Istnienie demetylaz argininy, które mogą odwrócić metylację argininy, jest kontrowersyjne.

Lizyna

Metylacja lizyny przez PKMT i demetylacja przez PKDM.

Lizyna może być metylowana raz, dwa razy lub trzy razy przez metylotransferazy lizyny (PKMT). Większość metylotransferaz lizynowych zawiera ewolucyjnie konserwowaną domenę SET , która wykazuje aktywność metylotransferazy zależną od S-adenozylometioniny , ale jest strukturalnie różna od innych białek wiążących S-adenozylometioninę. Metylacja lizyny odgrywa kluczową rolę w interakcji histonów z białkami. Metylację lizyny można odwrócić przez demetylazy lizyny (PKDM).

Różne białka zawierające domenę SET mają odmienną specyficzność substratową. Na przykład SET1, SET7 i MLL metylują lizynę 4 histonu H3, podczas gdy Suv39h1, ESET i G9a specyficznie metylują lizynę 9 histonu H3. Metylacja w lizynie 4 i lizynie 9 wzajemnie się wykluczają, a epigenetyczne konsekwencje metylacji miejscowo-specyficznej są diametralnie przeciwne: metylacja w lizynie 4 koreluje z aktywnym stanem transkrypcji, podczas gdy metylacja w lizynie 9 jest związana z represją transkrypcji i heterochromatyną. Inne reszty lizyny na histonie H3 i histonie H4 są również ważnymi miejscami metylacji przez specyficzne enzymy zawierające domenę SET. Chociaż histony są głównym celem metylotransferaz lizynowych, inne białka komórkowe niosą reszty N-metylolizyny, w tym czynnik elongacji 1A i kalmodulinę, białko wykrywające wapń .

Metylacja N-końcowa

Wiele białek eukariotycznych jest zmodyfikowanych potranslacyjnie na swoim N-końcu. Powszechną formą modyfikacji N-końcowej jest N-końcowa metylacja (Nt-metylacja) przez N-końcowe metylotransferazy (NTMT). Białka zawierające motyw konsensusu H 2 N-X-Pro-Lys-X (gdzie X może być Ala, Pro lub Ser) po usunięciu inicjatora metioniny (IMET) można poddać N-końcowej a-amino-metylacji. Monometylacja może mieć niewielki wpływ na nukleofilowość i zasadowość azotu α-aminowego, podczas gdy trimetylacja (lub dimetylacja w przypadku proliny) spowoduje zniesienie nukleofilowości i trwały ładunek dodatni na N-końcowej grupie aminowej. Chociaż z biochemicznego punktu widzenia demetylacja amin jest możliwa, Nt-metylację uważa się za nieodwracalną, ponieważ do tej pory nie opisano żadnej N-końcowej demetylazy. Stwierdzono, że warianty histonów CENP-A i CENP-B są Nt-metylowane in vivo.

prenylocysteina

Białka eukariotyczne z C-końcami, które kończą się motywem CAAX, są często poddawane serii modyfikacji potranslacyjnych. Obróbka ogona CAAX odbywa się w trzech etapach: Najpierw do cysteiny przyłącza się kotwicę lipidu prenylowego poprzez wiązanie tioestrowe . Następnie zachodzi endoproteoliza w celu usunięcia ostatnich trzech aminokwasów białka w celu odsłonięcia grupy α-COOH prenylocysteiny. Wreszcie odsłonięta grupa prenylocysteinowa jest metylowana. Znaczenie tej modyfikacji można zaobserwować w celowanym rozerwaniu metylotransferazy dla mysich białek CAAX, gdzie utrata metylotransferazy izoprenylocysteiny skutkowała śmiertelnością w połowie ciąży.

Biologiczna funkcja metylacji prenylocysteiny polega na ułatwieniu ukierunkowania białek CAAX na powierzchnie błon w komórkach. Prenylocysteina może być demetylowana, a ta odwrotna reakcja jest katalizowana przez karboksylometyloesterazy izoprenylocysteiny. Caax box zawierający białka, które są metylowane prenylocysteiną obejmują Ras , białka wiążące GTP, laminy jądrowe i niektóre kinazy białkowe . Wiele z tych białek uczestniczy w sygnalizacji komórkowej i wykorzystują metylację prenylocysteiny, aby skoncentrować je na powierzchni cytozolowej błony komórkowej, gdzie są funkcjonalne.

Metylacja na C-końcu może zwiększyć repertuar chemiczny białka i wiadomo, że ma duży wpływ na funkcje białka.

Fosfataza białkowa 2

W komórkach eukariotycznych fosfatazy katalizują usuwanie grup fosforanowych z fosfoprotein tyrozyny, seryny i treoniny. Podjednostka katalityczna głównych fosfataz serynowych/treoninowych, takich jak fosfataza białkowa 2, jest kowalencyjnie modyfikowana przez odwracalną metylację jej C-końca, z wytworzeniem karboksymetyloestru leucyny . W przeciwieństwie do metylacji motywu CAAX, do ułatwienia metylacji nie jest wymagane żadne przetwarzanie C-końcowe. To zdarzenie C-końcowej metylacji reguluje rekrutację białek regulatorowych do kompleksów poprzez stymulację oddziaływań białko-białko, tym samym pośrednio regulując aktywność kompleksu fosfataz serynowo-treoninowych. Metylacja jest katalizowana przez unikalną metylotransferazę fosfatazy białkowej. Grupa metylowa jest usuwana przez specyficzną metyloesterazę białkową fosfatazy. Te dwa przeciwstawne enzymy sprawiają, że metylacja fosfataz serynowo-treoninowych jest dynamicznym procesem w odpowiedzi na bodźce.

L-izoaspartyl

Uszkodzone białka gromadzą izoaspartyl, co powoduje niestabilność białka, utratę aktywności biologicznej i stymulację odpowiedzi autoimmunologicznych. Spontaniczna, zależna od wieku degradacja reszt L-aspartylowych powoduje powstanie sukcynoimidowego związku pośredniego, rodnika sukcynoimidowego . Jest on spontanicznie hydrolizowany z powrotem do L-aspartylu lub, w korzystniejszej reakcji, do nieprawidłowego L-izoaspartylu. Istnieje szlak zależny od metylotransferazy do konwersji L-izoaspartylu z powrotem do L-aspartylu. Aby zapobiec akumulacji L-izoaspartylu, reszta ta jest metylowana przez białko L-izoaspartylometylotransferazę , która katalizuje tworzenie się estru metylowego, który z kolei jest przekształcany z powrotem do sukcynoimidylowego związku pośredniego. Utrata i nabycie funkcji mutacji ujawniło biologiczne znaczenie L-izoaspartylo-O-metylotransferazy w procesach związanych z wiekiem: myszy pozbawione tego enzymu umierają młodo na śmiertelną epilepsję, podczas gdy muchy zmodyfikowane tak, aby nadmiernie ją wyrażały, wydłużają się o ponad 30%.

Efekty fizyczne

Wspólnym tematem białek metylowanych, podobnie jak białek fosforylowanych, jest rola, jaką ta modyfikacja odgrywa w regulacji interakcji białko-białko . Metylacja białek argininy może hamować lub promować interakcje białko-białko w zależności od rodzaju metylacji. Asymetryczna dimetylacja reszt argininy w bliskim sąsiedztwie motywów bogatych w prolinę może hamować wiązanie z domenami SH3 . Odwrotny efekt obserwuje się w przypadku interakcji między przeżyciem białka neuronów ruchowych a białkami snRNP SmD1, SmD3 i SmB/B', gdzie wiązanie jest promowane przez symetryczną dimetylację reszt argininy w białkach snRNP.

Dobrze scharakteryzowany przykład interakcji białko-białko zależnej od metylacji jest związany z selektywną metylacją lizyny 9 przez SUV39H1 na N-końcowym ogonie histonu H3 . Di- i tri-metylacja tej reszty lizyny ułatwia wiązanie białka heterochromatyny 1 (HP1). Ponieważ HP1 i Suv39h1 oddziałują, uważa się, że wiązanie HP1 z histonem H3 jest utrzymane, a nawet umożliwiono mu rozprzestrzenianie się wzdłuż chromatyny. Białko HP1 zawiera chromodomenę, która jest odpowiedzialna za zależne od metylu oddziaływanie między nim a lizyną 9 histonu H3. Jest prawdopodobne, że dodatkowe białka zawierające chromodomenę będą wiązać to samo miejsce co HP1 oraz inne metylowane lizyny pozycje na histonach H3 i histon H4 .

Metylacja białka C-końcowego reguluje tworzenie się fosfatazy białkowej. Metylacja podjednostki katalitycznej fosfatazy białkowej 2A wzmacnia wiązanie podjednostki regulatorowej B i ułatwia montaż holoenzymu.

Bibliografia