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 por los equinodermos .
Las m6A metiltransferasas (N-6 adenina-específica ADN metilasa) (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 de restricción-modificación bacterianos (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 con el fin de 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 enzimas de restricción correspondientes. Estas enzimas contienen un motivo conservado Asp / Asn - Pro -Pro- Tyr / Phe en su sección N-terminal, esta región conservada podría estar involucrada en la unión del sustrato o en la actividad catalítica . [2] [3] [4] [5] La estructura de la N6-MTasa TaqI (M.TaqI) se ha resuelto a 2,4 A . La molécula se pliega en 2 dominios, un dominio catalítico N-terminal, que contiene los sitios de unión catalíticos y de cofactores , y comprende una lámina beta central de 9 hebras, rodeada por 5 hélices; y un dominio de reconocimiento de ADN C-terminal, que está formado por 4 láminas beta pequeñas 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 las N-MTasas, basada en arreglos 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 N6-adenina MTasas 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 forman juntas una metiltransferasa que metila dos residuos de adenina en cadenas 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 diana pero cortando el ADN a cierta distancia de este sitio. El hecho de que el ADN se corte o se modifique depende del estado de metilación de la secuencia diana . Cuando el sitio diana no está modificado, se corta el ADN. Cuando el sitio diana está hemimetilado, el complejo actúa como una metiltransferasa de mantenimiento, modificando el ADN de modo que ambas hebras se metilen . hsdM contiene un dominio alfa-helicoidal en el extremo N , el dominio N-terminal de HsdM. [7]
Entre las m6A metiltransferasas (N-6 adenina-ADN metilasa específica) hay un grupo de MTasas huérfanas que no participan en el sistema de restricción/metilación bacteriano. [8] Estas enzimas tienen un papel regulador en la expresión génica 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 ha demostrado que CamA de Clostridioides difficile desempeña papeles funcionales clave en la esporulación , la formación de biopelículas y la adaptación al huésped. [11]
Las metiltransferasas m4C (metilasas de ADN específicas de la 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 los sistemas de restricción-modificación de tipo II en procariotas . Estas enzimas reconocen una secuencia específica en el ADN y metilan una citosina en esa secuencia . Mediante esta acción, protegen al ADN de la escisión por enzimas de restricción de tipo II que reconocen la misma secuencia [ cita requerida ]
Las metiltransferasas m5C (metilasa de ADN 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 las células de mamíferos , las metiltransferasas específicas de citosina metilan ciertas secuencias CpG , que se cree que modulan la expresión génica y la diferenciación celular . En las bacterias , estas enzimas son un componente de los sistemas de modificación por restricción y sirven como herramientas valiosas para la manipulación del ADN. [13] [15] La estructura de la metiltransferasa HhaI (M.HhaI) se ha resuelto a 2,5 A : la molécula se pliega en 2 dominios : un dominio catalítico más grande que contiene sitios de unión catalíticos y de cofactores , y un dominio de reconocimiento de ADN más pequeño. [16]
Se han informado metiltransferasas de ADN altamente conservadas de los tipos m4C, m5C y m6A [17] , que parecen ser objetivos prometedores para el desarrollo de nuevos inhibidores epigenéticos para combatir la virulencia bacteriana, 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. Estas 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 en el genoma de la neurona del hipocampo de la rata están metilados de manera diferencial. [19]
Las metiltransferasas de mantenimiento añaden metilación al ADN cuando una hebra ya está metilada. Estas funcionan durante toda la vida del organismo para mantener el patrón de metilación que se había establecido mediante las metiltransferasas de novo. [ cita requerida ]
Se han identificado al menos cuatro metiltransferasas de ADN con actividad diferente en mamíferos. Se denominan DNMT1 , [20] dos isoformas transcritas a partir del gen DNMT3a : DNMT3a1 y DNMT3a2, [21] y DNMT3b . [22] Recientemente, se ha descubierto otra enzima, DNMT3c, expresada específicamente en la línea germinal masculina del ratón. [23]
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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 enriquecidas exclusivamente para DNMT3a2 y 3.432 enriquecidas exclusivamente para DNMT3b.
Las enzimas DNMT no solo están reguladas en sus lugares de metilación en el genoma por el lugar donde se unen al ADN, [24] sino que también están reguladas por las 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 la lisina de la histona . 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 fundamental para la metilación del ADN, pero parece ser inactiva por sí sola.
DNMT1 es la metiltransferasa de ADN más abundante en las células de mamíferos y se considera la metiltransferasa de mantenimiento clave en mamíferos . Metila predominantemente dinucleótidos CpG hemimetilados en el genoma de los mamíferos. El motivo de reconocimiento para la enzima humana involucra solo tres de las bases en el par de dinucleótidos CpG: una C en una hebra y CpG en la otra. Este requisito de especificidad de sustrato relajado le permite metilar estructuras inusuales como intermediarios de deslizamiento de ADN a tasas de novo que igualan su tasa de mantenimiento. [27] Al igual que otras metiltransferasas de ADN citosina-5, la enzima humana reconoce citosinas invertidas en ADN bicatenario y opera mediante el mecanismo de ataque nucleofílico. [28] En las células cancerosas humanas, DNMT1 es responsable tanto de la metilación de novo como de la de mantenimiento de los genes supresores de tumores. [29] [30] La enzima tiene aproximadamente 1620 aminoácidos de longitud. Los primeros 1100 aminoácidos constituyen el dominio regulador de la enzima, y los residuos restantes constituyen el dominio catalítico. Estos están unidos por repeticiones de Gly - Lys . Ambos dominios son necesarios para la función catalítica de DNMT1. [ cita requerida ]
La DNMT1 tiene varias isoformas : la DNMT1 somática, una variante de empalme (DNMT1b) y una isoforma específica del ovocito (DNMT1o). La DNMT1o se sintetiza y almacena en el citoplasma del ovocito y se transloca al núcleo celular durante el desarrollo embrionario temprano , mientras que la DNMT1 somática siempre se encuentra en el núcleo del tejido somático . [ cita requerida ]
Las células madre embrionarias mutantes nulas de DNMT1 eran viables y contenían un pequeño porcentaje de ADN metilado y actividad de metiltransferasa. Los embriones de ratón homocigotos para una deleción en Dnmt1 mueren a los 10-11 días de gestación. [31]
Aunque esta enzima tiene fuertes similitudes de secuencia con las metiltransferasas de 5-metilcitosina de procariotas y eucariotas, en 2006, se demostró que la enzima metila la posición 38 en el ARN de transferencia de ácido aspártico y no metila el ADN. [32] El nombre de esta metiltransferasa se ha cambiado de DNMT2 a TRDMT1 (metiltransferasa de ácido aspártico de ARNt 1) para reflejar mejor su función biológica. [33] TRDMT1 es la primera metiltransferasa de ARN citosina identificada en células humanas.
La DNMT3 es una familia de metiltransferasas de ADN que pueden metilar CpG hemimetilados y no metilados a la misma velocidad. La arquitectura de las enzimas DNMT3 es similar a la de la 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. [ cita requerida ]
DNMT3a1, DNMT3a2 y DNMT3b pueden mediar la metilación de sitios CpG en promotores de genes, lo que resulta en represión génica . Estas metiltransferasas de ADN también pueden metilar sitios CpG dentro de las regiones codificantes de los genes, donde dicha metilación puede aumentar la transcripción génica. [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 represiva 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 intergénicas e intrónicas 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 de CpA, CpT y CpC, aunque parece haber cierta preferencia de secuencia de metilación para DNMT3a y DNMT3b. DNMT3a metila los sitios CpG a una velocidad mucho más lenta que DNMT1, pero mayor que DNMT3b.
La expresión de DNMT3a2 difiere de DNMT3a1 y DNMT3b porque la expresión de DNMT3a2 ocurre en el patrón de un gen temprano inmediato . DNMT3a2 es inducido a expresarse en neuronas, por ejemplo, por nueva actividad neuronal. [37] [35] Esto puede ser importante en el establecimiento de la memoria a largo plazo . [38] En una rata, altos niveles de nuevas metilaciones de ADN en neuronas del hipocampo ocurren después de que un evento memorable es impuesto a una rata, como el condicionamiento del miedo contextual . [19] Bayraktar y Kreutz [39] encontraron que los inhibidores de DNMT, aplicados en el cerebro, impedían la formación de recuerdos a largo plazo.
DNMT3L contiene motivos de metiltransferasa de ADN y es necesario para establecer improntas genómicas maternas , a pesar de ser catalíticamente inactivo. DNMT3L se expresa durante la gametogénesis cuando tiene lugar la impronta genómica . La pérdida de DNMT3L conduce a la expresión bialélica de genes que normalmente no se expresan por el alelo materno. DNMT3L interactúa con DNMT3a y DNMT3b y se colocaliza en el núcleo. Aunque DNMT3L parece incapaz de metilación , puede participar en la represión transcripcional .
Debido a los efectos epigenéticos de la familia DNMT, algunos inhibidores de DNMT están bajo investigación para el tratamiento de algunos tipos de cáncer: [40]
