Введение
Группа метилирующих ферментов Метилтрансферазы - это большая группа ферментов, которые все метилируют свои субстраты, но могут быть разделены на несколько подклассов на основе их структурных особенностей. Наиболее распространенным классом метилтрансфераз является I класс, все из которых содержат склад Россмана для связывания S-аденозилметионина (SAM). Метилтрансферазы класса II содержат домен SET, который иллюстрируется гистонными метилтрансферазами домена SET, и метилтрансферазами класса III, которые связаны с мембраной. Метилтрансферазы также могут быть сгруппированы как различные типы, использующие различные субстраты в метилтрансферных реакциях. Эти типы включают белковые метилтрансферазы, ДНК/РНК метилтрансферазы, метилтрансферазы природных продуктов и не зависящие от SAM метилтрансферазы. SAM является классическим метилодонором для метилтрансфераз, однако в природе встречаются примеры других метилодоноров. Общий механизм метилопередачи - это нуклеофильная атака, подобная SN2, где метионин-сер служит выходящей группой, а метильная группа, прикрепленная к ней, действует как электрофил, который переносит метильную группу на ферментную субстрат. В ходе этого процесса SAM превращается в S- аденозиловый гомоцистеин (SAH). Разрыв метильной связи SAM и образование метильной связи субстрата происходят почти одновременно. Эти ферментативные реакции встречаются во многих путях и связаны с генетическими заболеваниями, раком и метаболическими заболеваниями. Другой тип метилового переноса - это радикальный S Аденозил-метионин (SAM), который представляет собой метилирование неактивированных атомов углерода в первичных метаболитах, белках, липидах и РНК.
Methyltransferases are a large group of enzymes that all methylate their substrates but can be split into several subclasses based on their structural features. The most common class of methyltransferases is class I, all of which contain a Rossmann fold for binding S Adenosyl methionine (SAM). Class II methyltransferases contain a SET domain, which are exemplified by SET domain histone methyltransferases, and class III methyltransferases, which are membrane associated. Methyltransferases can also be grouped as different types utilizing different substrates in methyl transfer reactions. These types include protein methyltransferases, DNA/RNA methyltransferases, natural product methyltransferases, and non SAM dependent methyltransferases. SAM is the classical methyl donor for methyltransferases, however, examples of other methyl donors are seen in nature. The general mechanism for methyl transfer is a SN2 like nucleophilic attack where the methionine sulfur serves as the leaving group and the methyl group attached to it acts as the electrophile that transfers the methyl group to the enzyme substrate. SAM is converted to S Adenosyl homocysteine (SAH) during this process. The breaking of the SAM methyl bond and the formation of the substrate methyl bond happen nearly simultaneously. These enzymatic reactions are found in many pathways and are implicated in genetic diseases, cancer, and metabolic diseases. Another type of methyl transfer is the radical S Adenosyl methionine (SAM) which is the methylation of unactivated carbon atoms in primary metabolites, proteins, lipids, and RNA.
Генетика
Метилирование, а также другие эпигенетические модификации влияют на транскрипцию, стабильность генов и родительский отпечаток. Он напрямую влияет на структуру хроматина и может модулировать транскрипцию генов или даже полностью заставлять гены молчать или активировать их без мутации самого гена. Хотя механизмы этого генетического контроля сложны, гипо- и гиперметилирование ДНК связано со многими заболеваниями.
Гистонметилтрансферазы
Гистонметилтрансферазы имеют решающее значение для генетической регуляции на эпигенетическом уровне. Они модифицируют в основном лизин на ε азоте и аргинин гуанидиниевой группы на хвостах гистонов. Лизинметилтрансферазы и аргининметилтрансферазы являются уникальными классами ферментов, но оба связывают SAM в качестве метилодонора для своих гистонных субстратов. Аминокислоты лизина могут быть модифицированы одной, двумя или тремя метильными группами, в то время как аминокислоты аргинина могут быть модифицированы одной или двумя метильными группами. Это увеличивает прочность положительного заряда и гидрофобность остатка, позволяя другим белкам распознавать метильные следы. Эффект от этой модификации зависит от расположения модификации на хвосте гистона и других модификаций гистона вокруг него. Местонахождение модификаций может быть частично определено последовательностью ДНК, а также небольшими некодирующими РНК и метилированием самой ДНК. Чаще всего это гистон H3 или H4, который метилируется у позвоночных. Может возникать либо увеличение, либо уменьшение транскрипции генов вокруг модификации. Увеличение транскрипции является результатом уменьшения конденсации хроматина, в то время как уменьшение транскрипции является результатом увеличения конденсации хроматина. Метильные следы на гистонах способствуют этим изменениям, служа местами для привлечения других белков, которые могут дополнительно модифицировать хроматин.
N-концевые метилтрансферазы
N-альфа-метилтрансферазы переносят метильную группу из SAM на N-терминал азота на белковые мишени. N-терминал метионина сначала расщепляется другим ферментом, а последовательность консенсуса X-пролина-лизина распознается метилтрансферазой. Для всех известных субстратов, X аминокислота - это аланин, серин или пролин. Эта реакция дает метилированный белок и SAH. Известные мишени этих метилтрансфераз у людей включают RCC 1 (регулятор ядерных транспортных белков) и белок ретинобластомы (белок- супрессор опухоли, который ингибирует чрезмерное деление клеток). Метилирование RCC 1 особенно важно в митозе, поскольку оно координирует локализацию некоторых ядерных белков в отсутствие ядерной оболочки. Когда RCC 1 не метилируется, деление клеток происходит аномально после образования дополнительных полюсов шпинделя. Функция терминальной метилирования N-протеина ретинобластомы не известна.
Метилтрансферазы природных продуктов
Метилтрансферазы природных продуктов (NPMTs) - это разнообразная группа ферментов, которые добавляют метильные группы к естественным малым молекулам. Как и многие метилтрансферазы, SAM используется в качестве метилдонора и производится SAH. Метильные группы добавляются к атомам S, N, O или C и классифицируются по тому, какие из этих атомов модифицированы, причем O метилтрансферазы представляют собой самый большой класс. Метилированные продукты этих реакций выполняют различные функции, включая кофакторы, пигменты, сигнальные соединения и метаболиты. НПМТ могут играть регуляторную роль, изменяя реактивность и доступность этих соединений. Эти ферменты не очень консервативны в разных видах, поскольку они выполняют более специфическую функцию в обеспечении малых молекул для специализированных путей в видах или меньших группах видов. Отражающим это разнообразие является разнообразие каталитических стратегий, включая общий кислотно-базовый катализатор, катализатор на основе металла, а также эффект близости и растворения, не требующий каталитических аминокислот. НПМТ являются наиболее функционально разнообразным классом метилтрансфераз. Важными примерами этого класса ферментов у людей являются фенилетаноламино-Н метилтрансфераза (PNMT), которая преобразует норэпинефрин в эпинефрин, и гистамино-Н метилтрансфераза (HNMT), которая метилирует гистамин в процессе метаболизма гистамина. Катехоль-О метилтрансфераза (COMT) разрушает класс молекул, известных как катахоламины, которые включают дофамин, эпинефрин и норепенеферин.
Независимые от САМ метилтрансферазы
Метанол, метилтетрагидрофолат, моно, ди и триметиламин, метанэтиол, метилтетрагидрометаноптерин и хлорометан - все это метильные доноры, встречающиеся в биологии в качестве доноров метильной группы, обычно в ферментативных реакциях с использованием кофактора витамина В12. Эти субстраты способствуют металированию, включая биосинтез метионина, метаногенез и ацетогенез.
Применение в исследовании и разработке лекарственных средств
Недавние исследования показали, что метилтрансферазы, участвующие в метилировании естественных противораковых агентов, используют аналоги S-аденозилметионина (SAM), которые несут альтернативные алкильные группы в качестве замены метила. Разработка легкой химиоэнзимной платформы для генерации и использования дифференциально алкилированных аналогов SAM в контексте открытия и разработки лекарств известна как алкилорандомизация.
Применение в лечении рака
В клетках человека было обнаружено, что m5C связана с аномальными опухолевыми клетками при раке. Роль и потенциальное применение m5C включает в себя балансирование нарушенной ДНК при раке как гиперметилирования, так и гипометилирования. Эпигенетический ремонт ДНК может быть применен путем изменения количества m5C в обоих типах раковых клеток (гиперметилирование/ гипометилирование), а также окружающей среде раковых клеток, чтобы достичь эквивалентной точки для ингибирования опухолевых клеток.