En bioquímica , la familia de enzimas ADN metiltransferasa ( ADN MTasa , DNMT ) cataliza la transferencia de un grupo metilo al ADN . La metilación del ADN cumple una amplia variedad de funciones biológicas. Todas las ADN metiltransferasas conocidas utilizan S-adenosil metionina (SAM) como donante de metilo.
Las MTasas se pueden dividir en tres grupos diferentes según las reacciones químicas que catalizan:
Las metiltransferasas m6A y m4C se encuentran principalmente en procariotas (aunque evidencia reciente ha sugerido que m6A es abundante en eucariotas [1] ). Las metiltransferasas m5C se encuentran en algunos eucariotas inferiores, en la mayoría de las plantas superiores y en animales comenzando con los equinodermos .
Las m6A metiltransferasas (ADN metilasa específica de adenina N-6) (A-Mtasa) son enzimas que metilan específicamente el grupo amino en la posición C-6 de las adeninas en el ADN. Se encuentran en los tres tipos existentes de sistemas bacterianos de restricción-modificación (en el sistema tipo I la A-Mtasa es producto del gen hsdM, y en el tipo III es producto del gen mod). Estas enzimas son responsables de la metilación de secuencias específicas de ADN para evitar que el huésped digiera su propio genoma a través de sus enzimas de restricción . Estas metilasas tienen la misma especificidad de secuencia que sus correspondientes enzimas de restricción. Estas enzimas contienen un motivo conservado Asp / Asn - Pro -Pro- Tyr / Phe en su sección N-terminal, esta región conservada podría estar implicada en la unión del sustrato o en la actividad catalítica . [2] [ 3] [4] [5] La estructura de N6-MTasa TaqI (M.TaqI) se ha resuelto en 2,4 A. La molécula se pliega en 2 dominios, un dominio catalítico N-terminal, que contiene los sitios de unión catalíticos y cofactores , y comprende una hoja beta central de 9 cadenas, rodeada por 5 hélices; y un dominio de reconocimiento de ADN C-terminal, que está formado por 4 pequeñas láminas beta y 8 hélices alfa . Los dominios N y C-terminales forman una hendidura que acomoda el sustrato de ADN . [6] Se ha propuesto una clasificación de N-MTasas, basada en disposiciones de motivos conservados (CM). [5] Según esta clasificación, las N6-MTasas que tienen un motivo DPPY (CM II) que aparece después del motivo FxGxG (CM I) se denominan MTasas N6-adenina de clase D12. El sistema de restricción y modificación de tipo I está compuesto por tres polipéptidos R, M y S. Las subunidades M (hsdM) y S juntas forman una metiltransferasa que metila dos residuos de adenina en hebras complementarias de una secuencia de reconocimiento de ADN bipartita . En presencia de la subunidad R, el complejo También puede actuar como una endonucleasa , uniéndose a la misma secuencia objetivo pero cortando el ADN a cierta distancia de este sitio. El hecho de que el ADN se corte o modifique depende del estado de metilación de la secuencia objetivo . Cuando el sitio objetivo no se modifica, se corta el ADN. Cuando el sitio objetivo está hemimetilado, el complejo actúa como una metiltransferasa de mantenimiento, modificando el ADN para que ambas cadenas queden metiladas . hsdM contiene un dominio alfa-helicoidal en el extremo N , el dominio N-terminal de HsdM. [7]
Entre las metiltransferasas m6A (ADN metilasa específica de adenina N-6) existe un grupo de MTasas huérfanas que no participan en el sistema de restricción/metilación bacteriana. [8] Estas enzimas tienen un papel regulador en la expresión genética y la regulación del ciclo celular. EcoDam de E. coli [9] y CcrM de Caulobacter crescentus [10] son miembros bien caracterizados de esta familia. Más recientemente, se demostró que CamA de Clostridioides difficile desempeña funciones funcionales clave en la esporulación , la formación de biopelículas y la adaptación del huésped. [11]
Las metiltransferasas m4C (ADN metilasas específicas de citosina N-4) son enzimas que metilan específicamente el grupo amino en la posición C-4 de las citosinas en el ADN. [5] Estas enzimas se encuentran como componentes de sistemas de modificación de restricción de tipo II en procariotas . Estas enzimas reconocen una secuencia específica del ADN y metilan una citosina en esa secuencia . Mediante esta acción protegen el ADN de la escisión por enzimas de restricción de tipo II que reconocen la misma secuencia.
Las metiltransferasas m5C (ADN metilasa específica de citosina C-5) (C5 Mtasa) son enzimas que metilan específicamente el carbono C-5 de las citosinas en el ADN para producir C5-metilcitosina . [12] [13] [14] En células de mamíferos , las metiltransferasas específicas de citosina metilan ciertas secuencias CpG , que se cree que modulan la expresión genética y la diferenciación celular . En las bacterias , estas enzimas son un componente de los sistemas de modificación de restricción y sirven como herramientas valiosas para la manipulación del ADN. [13] [15] La estructura de la HhaI metiltransferasa (M.HhaI) se ha resuelto en 2,5 A : la molécula se pliega en 2 dominios : un dominio catalítico más grande que contiene sitios de unión catalítica y cofactor , y un dominio de reconocimiento de ADN más pequeño. [dieciséis]
Se han informado ADN metiltransferasas altamente conservadas de los tipos m4C, m5C y m6A, [17] que parecen objetivos prometedores para el desarrollo de nuevos inhibidores epigenéticos para combatir la virulencia bacteriana y la resistencia a los antibióticos, entre otras aplicaciones biomédicas.
Las metiltransferasas de novo reconocen algo en el ADN que les permite metilar nuevamente las citosinas. Estos se expresan principalmente en el desarrollo embrionario temprano y establecen el patrón de metilación. Las metiltransferasas de novo también están activas cuando una célula que responde a señales, como una neurona , necesita alterar la expresión de proteínas. [18] Como ejemplo, cuando el condicionamiento del miedo crea un nuevo recuerdo en una rata, el 9,17% de los genes del genoma neuronal del hipocampo de la rata están metilados diferencialmente. [19]
Las metiltransferasas de mantenimiento añaden metilación al ADN cuando una cadena ya está metilada. Estos funcionan durante toda la vida del organismo para mantener el patrón de metilación que habían establecido las metiltransferasas de novo.
Se han identificado al menos cuatro ADN metiltransferasas con actividad diferente en mamíferos. Se denominan DNMT1 , [20] dos isoformas transcritas del gen DNMT3a : DNMT3a1 y DNMT3a2, [21] y DNMT3b . [22] Recientemente, se ha descubierto otra enzima, la DNMT3c, expresada específicamente en la línea germinal masculina del ratón. [23]
Manzo et al. [24] observaron diferencias en la unión genómica de DNMT3a1, DNMT3a2 y DNMT3b. Encontraron 3.970 regiones enriquecidas exclusivamente para DNMT3a1, 3.838 exclusivamente enriquecidas para DNMT3a2 y 3.432 exclusivamente enriquecidas para DNMT3b.
Las enzimas DNMT no solo están reguladas en sus ubicaciones de metilación en el genoma mediante el lugar donde se unen al ADN, [24] sino que también están reguladas por modificaciones postraduccionales en las proteínas histonas de los nucleosomas alrededor de los cuales se envuelve el ADN genómico ( ver figuras). Rose y Klose [25] revisaron la relación entre la metilación del ADN y la metilación de histona lisina . Por ejemplo, indicaron que H3K4me3 parece bloquear la metilación del ADN, mientras que H3K9me3 desempeña un papel en la promoción de la metilación del ADN.
DNMT3L [26] es una proteína estrechamente relacionada con DNMT3a y DNMT3b en estructura y crítica para la metilación del ADN, pero parece estar inactiva por sí sola.
"DNMT1 es la ADN metiltransferasa más abundante en células de mamíferos y se considera la metiltransferasa de mantenimiento clave en los mamíferos ". Metila predominantemente dinucleótidos CpG hemimetilados en el genoma de los mamíferos. El motivo de reconocimiento de la enzima humana implica sólo tres de las bases del par de dinucleótidos CpG: una C en una cadena y una CpG en la otra. Este requisito relajado de especificidad de sustrato le permite metilar estructuras inusuales, como intermediarios de deslizamiento del ADN, a velocidades de novo que igualan su tasa de mantenimiento. [27] Al igual que otras ADN citosina-5 metiltransferasas, la enzima humana reconoce las citosinas invertidas en el ADN bicatenario y opera mediante el mecanismo de ataque nucleofílico. [28] En las células cancerosas humanas, DNMT1 es responsable de la metilación tanto de novo como de mantenimiento de los genes supresores de tumores. [29] [30] La enzima tiene aproximadamente 1.620 aminoácidos de longitud. Los primeros 1.100 aminoácidos constituyen el dominio regulador de la enzima y los residuos restantes constituyen el dominio catalítico. A estos se les une Gly – repite Lys . Ambos dominios son necesarios para la función catalítica de DNMT1.
DNMT1 tiene varias isoformas , la DNMT1 somática, una variante de empalme (DNMT1b) y una isoforma específica de ovocitos (DNMT1o). DNMT1o se sintetiza y almacena en el citoplasma del ovocito y se transloca al núcleo celular durante el desarrollo embrionario temprano , mientras que el DNMT1 somático siempre se encuentra en el núcleo del tejido somático .
Las células madre embrionarias mutantes nulas DNMT1 eran viables y contenían un pequeño porcentaje de ADN metilado y actividad metiltransferasa. Los embriones de ratón homocigotos para una deleción en Dnmt1 mueren entre los 10 y 11 días de gestación. [31]
Aunque esta enzima tiene fuertes similitudes de secuencia con las 5-metilcitosina metiltransferasas tanto de procariotas como de eucariotas, en 2006 se demostró que la enzima metilaba la posición 38 en el ARN de transferencia de ácido aspártico y no metilaba el ADN. [32] El nombre de esta metiltransferasa se ha cambiado de DNMT2 a TRDMT1 (ARNt metiltransferasa del ácido aspártico 1) para reflejar mejor su función biológica. [33] TRDMT1 es la primera ARN citosina metiltransferasa identificada en células humanas.
DNMT3 es una familia de ADN metiltransferasas que podrían metilar CpG hemimetilado y no metilado al mismo ritmo. La arquitectura de las enzimas DNMT3 es similar a la de DNMT1, con una región reguladora unida a un dominio catalítico. Hay al menos cinco miembros de la familia DNMT3: DNMT3a1, DNMT3a2, 3b, 3c y 3L.
"DNMT3a1, DNMT3a2 y DNMT3b pueden mediar en la metilación de sitios CpG en promotores de genes, lo que resulta en represión genética ". Estas ADN metiltransferasas también pueden metilar sitios CpG dentro de las regiones codificantes de los genes, donde dicha metilación puede aumentar la transcripción genética. [34] El trabajo con DNMT3a1 mostró que se localiza preferentemente en islas CpG marcadas bivalentemente por H3K4me3 (una marca promotora de la transcripción) y H3K27me3 (una marca represora de la transcripción), coincidiendo con los promotores de muchos factores de transcripción . El trabajo con DNMT3a2, en neuronas , encontró que los cambios de metilación del ADN causados por DNMT3a2 ocurren predominantemente en regiones intergénicas e intrónicas. Se pensaba que estas metilaciones de ADN intergénico e intrónico probablemente regulaban la actividad potenciadora , el empalme alternativo o la expresión de ARN no codificantes . [35]
DNMT3a1 puede co-localizarse con la proteína heterocromatina (HP1) y la proteína de unión a metil-CpG (MeCBP), entre otros factores. [36] También pueden interactuar con DNMT1, lo que podría ser un evento cooperativo durante la metilación del ADN. DNMT3a prefiere la metilación de CpG a la metilación de CpA, CpT y CpC, aunque parece haber cierta preferencia de secuencia de metilación para DNMT3a y DNMT3b. DNMT3a metila los sitios CpG a un ritmo mucho más lento que DNMT1, pero mayor que DNMT3b.
La expresión de DNMT3a2 difiere de DNMT3a1 y DNMT3b porque la expresión de DNMT3a2 se produce en el patrón de un gen temprano inmediato . Se induce la expresión de DNMT3a2 en neuronas, por ejemplo, mediante nueva actividad neuronal. [37] [35] Esto puede ser importante para establecer la memoria a largo plazo . [38] En una rata, se producen altos niveles de nuevas metilaciones del ADN en las neuronas del hipocampo después de que se le impone un evento memorable, como el condicionamiento contextual del miedo . [19] Bayraktar y Kreutz [39] descubrieron que los inhibidores de DNMT, aplicados en el cerebro, impedían la formación de recuerdos a largo plazo.
DNMT3L contiene motivos de ADN metiltransferasa y es necesario para establecer huellas genómicas maternas , a pesar de ser catalíticamente inactivo. DNMT3L se expresa durante la gametogénesis cuando tiene lugar la impresión genómica . La pérdida de DNMT3L conduce a la expresión bialélica de genes que normalmente no expresa el alelo materno. DNMT3L interactúa con DNMT3a y DNMT3b y se localiza en el núcleo. Aunque DNMT3L parece incapaz de metilación , puede participar en la represión transcripcional .
Debido a los efectos epigenéticos de la familia DNMT, se están investigando algunos inhibidores de DNMT para el tratamiento de algunos cánceres: [40]
