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
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
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.