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Metiltransferasa regulada por el ciclo celular

La estructura cristalina de rayos X de Caulobacter crescentus CcrM muestra el homodímero de CcrM en complejo con ADN de doble cadena. Los monómeros de proteína se muestran en azul y verde, mientras que el ADN se muestra en marrón. Las bases de ADN en el sitio de reconocimiento GANTC se muestran en resolución atómica completa.

CcrM (o M.CcrMI ) es una metiltransferasa de ADN huérfana que participa en el control de la expresión génica en la mayoría de las Alphaproteobacteria . Esta enzima modifica el ADN al catalizar la transferencia de un grupo metilo del sustrato S-adenosil-L metionina a la posición N6 de una base de adenina en la secuencia 5'-GANTC-3' con alta especificidad. [1] En algunos linajes como SAR11 , las enzimas homólogas poseen especificidad 5'-GAWTC-3'. [2] En Caulobacter crescentus, Ccrm se produce al final del ciclo de replicación cuando los sitios de reconocimiento de Ccrm están hemimetilados, metilando rápidamente el ADN. CcrM es esencial en otras Alphaproteobacteria, pero su papel aún no está determinado. CcrM es una metiltransferasa altamente específica con un nuevo mecanismo de reconocimiento de ADN. [3]

Función del CcrM en la regulación del ciclo celular

Las metilaciones son modificaciones epigenéticas que, en eucariotas, regulan procesos como la diferenciación celular y la embriogénesis, [4] mientras que en procariotas pueden tener un papel en el auto-reconocimiento, protegiendo al ADN de ser escindido por el sistema de endonucleasas de restricción, [5] o para la regulación génica. La primera función está controlada por el sistema de metilación de restricción mientras que la segunda por MTasas huérfanas como Dam y CcrM. [6]

El papel de CcrM se ha caracterizado en el organismo modelo marino Caulobacter crescentus , que es adecuado para el estudio del ciclo celular y la epigenética, ya que se divide asimétricamente generando una progenie diferente, una célula pedunculada y una célula enjambre, con diferentes fenotipos y regulación genética. La célula enjambre tiene un solo flagelo y pili polares y se caracteriza por su movilidad, mientras que la célula apilada tiene un tallo y está fija al sustrato. La célula apilada entra inmediatamente en la fase S , mientras que la célula enjambre permanece en la fase G1 y se diferenciará a una célula apilada antes de entrar nuevamente en la fase S. [7]

La célula apilada en fase S replicará su ADN de manera semiconservativa produciendo dos dobles cadenas de ADN hemimetiladas que serán rápidamente metiladas por la Metiltransferasa CcrM, que solo se produce al final de la fase S. La enzima metilará más de 4 mil sitios 5'-GANTC-3' en alrededor de 20 minutos, y luego será degradada por la proteasa LON . [8] Esta rápida metilación juega un papel importante en el control transcripcional de varios genes y controla la diferenciación celular. La expresión de CcrM está regulada por el regulador maestro CtrA, y además varios sitios de metilación de sitios 5'-GANTC-3' regulan la expresión de CcrM, que solo ocurrirá al final de la fase S cuando estos sitios están hemimetilados. En este proceso, CtrA regula la expresión de CcrM y más de 1000 genes en el estado predivisional, [9] y SciP previene la activación de la transcripción de CcrM en células no replicativas.

Función del CcrM en Alphaproteobacteria

Las MTasas huérfanas son comunes en bacterias y arqueas [10] CcrM se encuentra en casi todos los grupos de Alphaproteobacteria , excepto en Rickettsiales y Magnetococcales , y se pueden encontrar homólogos en Campylobacterota y Gammaproteobacteria . [11] Alphaproteobacteria son organismos con diferentes etapas de vida desde vida libre hasta asociada al sustrato, algunos de ellos son patógenos intracelulares de plantas, animales e incluso humanos, [12] en esos grupos los CcrM deben tener un papel importante en la progresión del ciclo celular. [13]

Se ha demostrado que la falta de regulación de CcrM produce una grave falta de control de la regulación del ciclo celular y la diferenciación en varias Alphaproteobacteria; C. crescentus , el simbionte vegetal Sinorhizobium meliloti [14] y en el patógeno humano Brucella abortus . [15] También se ha demostrado que el gen CcrM es esencial para la viabilidad de varias Alphaproteobacteria. [12]

Estructura y mecanismo de reconocimiento del ADN

La CcrM es una ADN metiltransferasa de tipo II que transfiere un grupo metilo desde el donador de metilo SAM al N6 de una adenina en un sitio de reconocimiento 5'-GANTC-3' del ADN hemimetilado. Con base en el orden de los motivos conservados que forman la unión de SAM, el sitio activo y el dominio de reconocimiento de la diana en la secuencia de CcrM, se puede clasificar como una adenina N6 metiltransferasa de clase β. [16] Los homólogos de CcrM en Alphaproteobacteria tienen un dominio C terminal de 80 residuos, [11] con una función no bien caracterizada. [17]

CcrM se caracteriza por un alto grado de discriminación de secuencias, mostrando una especificidad muy alta para los sitios GANTC sobre los sitios AANTC, siendo capaz de reconocer y metilar esta secuencia tanto en ADN de cadena simple como de doble cadena. [1] CcrM en complejo con una estructura de dsDNA fue resuelto, mostrando que la enzima presenta un nuevo mecanismo de interacción con el ADN, abriendo una burbuja en el sitio de reconocimiento del ADN (El mecanismo concertado de las Metiltransferasas se basa en la inversión de la base diana), la enzima interactúa con el ADN formando un homodímero con interacciones monoméricas diferenciales. [3]

La CcrM es una enzima altamente eficiente capaz de metilar un gran número de sitios 5'-GANTC-3' en poco tiempo, sin embargo, si la enzima es procesiva (la enzima se une al ADN y metila varios sitios de metilación antes de la disociación) o distributiva (la enzima se disocia del ADN después de cada metilación) aún está en discusión. Los primeros informes indicaron el segundo caso, [18] sin embargo, la caracterización más reciente de CcrM indica que es una enzima procesiva. [19]

Referencias

  1. ^ ab Reich, Norbert O.; Dang, Eric; Kurnik, Martin; Pathuri, Sarath; Woodcock, Clayton B. (7 de diciembre de 2018). "La metiltransferasa altamente específica y regulada por el ciclo celular de Caulobacter crescentus se basa en un nuevo mecanismo de reconocimiento de ADN". Journal of Biological Chemistry . 293 (49): 19038–19046. doi : 10.1074/jbc.RA118.005212 . ISSN  0021-9258. PMC  6295719 . PMID  30323065.
  2. ^ Hiraoka, Satoshi; Sumida, Tomomi; Hirai, Miho; Toyoda, Atsushi; Kawagucci, Shinsuke; Yokokawa, Taichi; Nunoura, Takuro (8 de mayo de 2021). "Modificación diversa del ADN en comunidades virales y procarióticas marinas". doi :10.1101/2021.05.08.442635. S2CID  234348602. {{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )
  3. ^ ab Horton, John R.; Woodcock, Clayton B.; Opot, Sifa B.; Reich, Norbert O.; Zhang, Xing; Cheng, Xiaodong (10 de octubre de 2019). "La ADN adenina metiltransferasa regulada por el ciclo celular CcrM abre una burbuja en su sitio de reconocimiento de ADN". Nature Communications . 10 (1): 4600. Bibcode :2019NatCo..10.4600H. doi :10.1038/s41467-019-12498-7. ISSN  2041-1723. PMC 6787082 . PMID  31601797. 
  4. ^ Schübeler, Dirk (enero de 2015). "Función y contenido de información de la metilación del ADN". Nature . 517 (7534): 321–326. Bibcode :2015Natur.517..321S. doi :10.1038/nature14192. ISSN  1476-4687. PMID  25592537. S2CID  4403755.
  5. ^ Vasu, K.; Nagaraja, V. (1 de marzo de 2013). "Diversas funciones de los sistemas de restricción-modificación además de la defensa celular". Microbiology and Molecular Biology Reviews . 77 (1): 53–72. doi :10.1128/MMBR.00044-12. ISSN  1092-2172. PMC 3591985 . PMID  23471617. 
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