Las metiltransferasas son un gran grupo de enzimas que metilan sus sustratos, pero se pueden dividir en varias subclases según sus características estructurales. La clase más común de metiltransferasas es la clase I, todas las cuales contienen un pliegue de Rossmann para unirse a S -adenosil metionina (SAM). Las metiltransferasas de clase II contienen un dominio SET, que están ejemplificados por las histonas metiltransferasas de dominio SET , y las metiltransferasas de clase III, que están asociadas a membrana. [1] Las metiltransferasas también se pueden agrupar en diferentes tipos utilizando diferentes sustratos en las reacciones de transferencia de metilo. Estos tipos incluyen proteínas metiltransferasas, metiltransferasas de ADN/ARN, metiltransferasas de productos naturales y metiltransferasas no dependientes de SAM. SAM es el donante de metilo clásico para las metiltransferasas; sin embargo, en la naturaleza se observan ejemplos de otros donadores de metilo. El mecanismo general para la transferencia de metilo es un ataque nucleofílico similar al SN 2 en el que el azufre de metionina sirve como grupo saliente y el grupo metilo unido a él actúa como electrófilo que transfiere el grupo metilo al sustrato enzimático. SAM se convierte en S -adenosil homocisteína (SAH) durante este proceso. La ruptura del enlace SAM-metilo y la formación del enlace sustrato-metilo ocurren casi simultáneamente. Estas reacciones enzimáticas se encuentran en muchas vías y están implicadas en enfermedades genéticas, cáncer y enfermedades metabólicas. Otro tipo de transferencia de metilo es el radical S-adenosil metionina (SAM), que es la metilación de átomos de carbono inactivados en metabolitos primarios, proteínas, lípidos y ARN.
La metilación, así como otras modificaciones epigenéticas , afecta la transcripción , la estabilidad genética y la impronta parental . [2] Afecta directamente la estructura de la cromatina y puede modular la transcripción de genes, o incluso silenciar o activar genes por completo, sin mutar el gen en sí. Aunque los mecanismos de este control genético son complejos, la hipo e hipermetilación del ADN está implicada en muchas enfermedades.
La metilación de proteínas tiene un papel regulador en las interacciones proteína-proteína , en las interacciones proteína-ADN y en la activación de proteínas.
Ejemplos: RCC1, una importante proteína mitótica , está metilada para que pueda interactuar con los centrómeros de los cromosomas. Este es un ejemplo de regulación de la interacción proteína-proteína, ya que la metilación regula la unión de RCC1 a las proteínas histonas H2A y H2B . La interacción RCC1-cromatina también es un ejemplo de interacción proteína-ADN, ya que otro dominio de RCC1 interactúa directamente con el ADN cuando esta proteína está metilada. Cuando RCC1 no está metilado, las células en división tienen múltiples polos del huso y generalmente no pueden sobrevivir.
p53 metilado en lisina para regular su activación e interacción con otras proteínas en la respuesta al daño del ADN. Este es un ejemplo de regulación de las interacciones proteína-proteína y de activación de proteínas. p53 es un conocido supresor de tumores que activa las vías de reparación del ADN , inicia la apoptosis y detiene el ciclo celular . En general, responde a mutaciones en el ADN, indicando a la célula que las repare o que inicie la muerte celular para que estas mutaciones no puedan contribuir al cáncer.
NF-κB (una proteína implicada en la inflamación) es un objetivo de metilación conocido de la metiltransferasa SETD6 , que desactiva la señalización de NF-κB mediante la inhibición de una de sus subunidades, RelA . Esto reduce la activación transcripcional y la respuesta inflamatoria , haciendo de la metilación de NF-κB un proceso regulador mediante el cual se reduce la señalización celular a través de esta vía. [3]
Las metiltransferasas de productos naturales proporcionan una variedad de entradas a las vías metabólicas, incluida la disponibilidad de cofactores, moléculas de señalización y metabolitos. Esto regula varias vías celulares controlando la actividad de las proteínas.
Las histonas metiltransferasas son fundamentales para la regulación genética a nivel epigenético . Modifican principalmente la lisina en el ε-nitrógeno y el grupo arginina guanidinio en las colas de histonas. Las lisina metiltransferasas y las arginina metiltransferasas son clases únicas de enzimas, pero ambas se unen a SAM como donante de metilo para sus sustratos de histonas . Los aminoácidos de lisina se pueden modificar con uno, dos o tres grupos metilo, mientras que los aminoácidos de arginina se pueden modificar con uno o dos grupos metilo. Esto aumenta la fuerza de la carga positiva y la hidrofobicidad del residuo , permitiendo que otras proteínas reconozcan las marcas de metilo. El efecto de esta modificación depende de la ubicación de la modificación en la cola de histonas y de las otras modificaciones de histonas a su alrededor. La ubicación de las modificaciones puede estar determinada parcialmente por la secuencia del ADN, así como por pequeños ARN no codificantes y por la metilación del propio ADN. Lo más común es que la histona H3 o H4 esté metilada en los vertebrados. Puede producirse un aumento o una disminución de la transcripción de genes en torno a la modificación. El aumento de la transcripción es el resultado de una disminución de la condensación de cromatina , mientras que la disminución de la transcripción es el resultado de una mayor condensación de cromatina. [4] Las marcas de metilo en las histonas contribuyen a estos cambios al servir como sitios para el reclutamiento de otras proteínas que pueden modificar aún más la cromatina. [5]
Las N-alfa metiltransferasas transfieren un grupo metilo de SAM al nitrógeno N-terminal de las proteínas dianas. La metionina N-terminal es primero escindida por otra enzima y la metiltransferasa reconoce la secuencia consenso X- Prolina -Lisina. Para todos los sustratos conocidos, el aminoácido X es alanina , serina o prolina. Esta reacción produce una proteína metilada y SAH. Los objetivos conocidos de estas metiltransferasas en humanos incluyen RCC-1 (un regulador de proteínas de transporte nuclear) y proteína de retinoblastoma (una proteína supresora de tumores que inhibe la división celular excesiva). La metilación de RCC-1 es especialmente importante en la mitosis ya que coordina la localización de algunas proteínas nucleares en ausencia de la envoltura nuclear . Cuando RCC-1 no está metilado, la división celular es anormal después de la formación de polos adicionales del huso . [6] Se desconoce la función de la metilación N-terminal de la proteína del retinoblastoma.
La metilación del ADN, un componente clave de la regulación genética, ocurre principalmente en el carbono 5 de la base citosina , formando 5'metilcitosina (ver a la izquierda). [7] La metilación es una modificación epigenética catalizada por enzimas ADN metiltransferasa , incluidas DNMT1, DNMT2 (rebautizada como TRDMT1 para reflejar su función de metilar el ARNt, no el ADN) y DNMT3. Estas enzimas utilizan S-adenosilmetionina como donante de metilo y contienen varias características estructurales altamente conservadas entre las tres formas; estos incluyen el sitio de unión de S-adenosilmetionina, un par vecinal de prolina-cisteína que forma un anión tiolato importante para el mecanismo de reacción y la bolsa de unión al sustrato de citosina. Muchas características de las ADN metiltransferasas están altamente conservadas en muchas clases de vida, desde bacterias hasta mamíferos. Además de controlar la expresión de ciertos genes , existe una variedad de complejos proteicos, muchos de ellos con implicaciones para la salud humana, que solo se unen a los sitios de reconocimiento del ADN metilado . Se pensaba que muchas de las primeras ADN metiltransferasas se derivaban de ARN metiltransferasas que se suponía estaban activas en el mundo del ARN para proteger muchas especies de ARN primitivo. [8] La metilación del ARN se ha observado en diferentes tipos de especies de ARN, a saber. ARNm , ARNr , ARNt , ARNsno , ARNsn , miARN , ARNtm y especies de ARN viral. Las células emplean ARN metiltransferasas específicas para marcarlas en las especies de ARN de acuerdo con la necesidad y el entorno que prevalece alrededor de las células, lo que forma parte de un campo llamado epigenética molecular . La 2'-O-metilación , la metilación de m6A , la metilación de m1G y la m5C son marcas de metilación que se observan con mayor frecuencia en diferentes tipos de ARN.
6A es una enzima que cataliza la reacción química de la siguiente manera: [9]
S-adenosil-L-metionina + ADN adenina S-adenosil-L-homocisteína + ADN 6-metilaminopurina
m6A se encontró principalmente en procariotas hasta 2015, cuando también se identificó en algunos eucariotas. Las metiltransferasas m6A metilan el grupo amino en el ADN en la posición C-6 específicamente para evitar que el sistema huésped digiera el propio genoma a través de enzimas de restricción. [10]
m5C juega un papel en la regulación de la transcripción de genes. Las transferasas m5C son las enzimas que producen C5-metilcitosina en el ADN en la posición C-5 de la citosina y se encuentran en la mayoría de las plantas y en algunos eucariotas. [11]
Las metiltransferasas de productos naturales (NPMT) son un grupo diverso de enzimas que agregan grupos metilo a moléculas pequeñas producidas naturalmente. Como muchas metiltransferasas, la SAM se utiliza como donante de metilo y se produce SAH. Los grupos metilo se añaden a los átomos de S, N, O o C y se clasifican según cuál de estos átomos se modifica, siendo las O-metiltransferasas la clase más grande. Los productos metilados de estas reacciones cumplen una variedad de funciones, incluidos cofactores, pigmentos, compuestos de señalización y metabolitos. Los NPMT pueden desempeñar una función reguladora modificando la reactividad y disponibilidad de estos compuestos. Estas enzimas no están muy conservadas en diferentes especies, ya que cumplen una función más específica al proporcionar moléculas pequeñas para vías especializadas en especies o grupos más pequeños de especies. Un reflejo de esta diversidad es la variedad de estrategias catalíticas, incluida la catálisis ácido-base general , la catálisis basada en metales y los efectos de proximidad y desolvatación que no requieren aminoácidos catalíticos. Las NPMT son la clase de metiltransferasas con mayor diversidad funcional. [12]
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Ejemplos importantes de esta clase de enzimas en humanos incluyen la feniletanolamina N-metiltransferasa (PNMT), que convierte la norepinefrina en epinefrina , [14] y la histamina N-metiltransferasa (HNMT), que metila la histamina en el proceso del metabolismo de la histamina. [15] La catecol- O- metiltransferasa (COMT) degrada una clase de moléculas conocidas como catcholaminas que incluyen dopamina , epinefrina y norepeneferina. [dieciséis]
El metanol , el tetrahidrofolato de metilo , la mono , di y trimetilamina , el metanotiol , la metiltetrahidrometanopterina y el clorometano son todos donantes de metilo que se encuentran en biología como donantes de grupos metilo, típicamente en reacciones enzimáticas que utilizan el cofactor vitamina B12 . [17] Estos sustratos contribuyen a las vías de transferencia de metilo, incluida la biosíntesis de metionina , la metanogénesis y la acetogénesis .
Según diferentes estructuras proteicas y mecanismos de catálisis, existen 3 tipos diferentes de metilasas radicales SAM (RS): Clase A, B y C. Las metilasas RS de clase A son las mejor caracterizadas de las 4 enzimas y están relacionadas tanto con RlmN como con Cfr. RlmN es omnipresente en bacterias, lo que mejora la fidelidad de traducción y RlmN cataliza la metilación de C2 de adenosina 2503 (A2503) en 23 S rRNA y C2 de adenosina (A37). Cfr, por otro lado, también cataliza la metilación de C8 de A2503 y también cataliza la metilación de C2. [18] La clase B es actualmente la clase más grande de metilasas radicales SAM que pueden metilar átomos de carbono con hibridación sp 2 y sp 3 en diferentes conjuntos de sustratos, a diferencia de la Clase A, que solo cataliza átomos de carbono con hibridación sp 2. La principal diferencia que distingue a la Clase B de otras es el dominio de unión a cobalamina N-terminal adicional que se une al dominio RS. [19] La metilasa de clase C tiene una secuencia homóloga con la enzima RS, coproporfirinógeno III oxidasa (HemN), que también cataliza la metilación de los centros de carbono con hibridación sp 2, pero carece de las 2 cisteínas necesarias para la metilación en el mecanismo de la clase A. [18 ]
Como ocurre con cualquier proceso biológico que regula la expresión y/o función de los genes, la metilación anómala del ADN se asocia con trastornos genéticos como la ICF , el síndrome de Rett y el síndrome de X frágil . [2] Las células cancerosas generalmente exhiben menos actividad de metilación del ADN en general, aunque a menudo hipermetilación en sitios que no están metilados en las células normales; Esta sobremetilación a menudo funciona como una forma de inactivar genes supresores de tumores . Se ha propuesto la inhibición de la actividad general de la ADN metiltransferasa como opción de tratamiento, pero se ha descubierto que los inhibidores de DNMT, análogos de sus sustratos de citosina , son muy tóxicos debido a su similitud con la citosina (ver a la derecha); esta similitud con el nucleótido hace que el inhibidor se incorpore a la traducción del ADN , provocando que se sintetice ADN no funcional.
Una metilasa que altera el sitio de unión del ARN ribosómico del antibiótico linezolid provoca resistencia cruzada con otros antibióticos que actúan sobre el ARN ribosómico. Los vectores plásmidos capaces de transmitir este gen son una causa de resistencia cruzada potencialmente peligrosa. [20]
Ejemplos de enzimas metiltransferasas relevantes para la enfermedad:
Un trabajo reciente ha revelado las metiltransferasas involucradas en la metilación de agentes anticancerígenos naturales para usar análogos de S-adenosil metionina (SAM) que transportan grupos alquilo alternativos como reemplazo del metilo. El desarrollo de una plataforma quimioenzimática sencilla para generar y utilizar análogos de SAM alquilados diferencialmente en el contexto del descubrimiento y desarrollo de fármacos se conoce como alquilaleatorización. [21]
En células humanas, se descubrió que m5C estaba asociado con células tumorales anormales en el cáncer. [22] El papel y la posible aplicación de m5C incluyen equilibrar el ADN deteriorado en el cáncer, tanto la hipermetilación como la hipometilación. Se puede aplicar una reparación epigenética del ADN cambiando la cantidad de m5C en ambos tipos de células cancerosas (hipermetilación/hipometilación) y también en el entorno de los cánceres para alcanzar un punto equivalente para inhibir las células tumorales. [23]
Ejemplos incluyen:
