La metilación de proteínas es un tipo de modificación postraduccional que presenta la adición de grupos metilo a las proteínas . Puede ocurrir en las cadenas laterales que contienen nitrógeno de arginina y lisina , [1] [2] pero también en los extremos amino y carboxi de varias proteínas diferentes. En biología, las metiltransferasas catalizan el proceso de metilación, activado principalmente por la S-adenosilmetionina . La metilación de proteínas se ha estudiado más en las histonas , donde la transferencia de grupos metilo de la S-adenosil metionina es catalizada por histonas metiltransferasas . Las histonas que están metiladas en ciertos residuos pueden actuar epigenéticamente para reprimir o activar la expresión genética. [3] [4]
Se pueden metilar múltiples sitios de proteínas. Para algunos tipos de metilación, como la metilación N-terminal y la metilación de prenilcisteína, se requiere un procesamiento adicional, mientras que otros tipos de metilación, como la metilación de arginina y la metilación de lisina, no requieren procesamiento previo.
La arginina se puede metilar una vez (arginina monometilada) o dos veces (arginina dimetilada). La metilación de los residuos de arginina está catalizada por tres clases diferentes de proteínas arginina metiltransferasas (PRMT): las PRMT de tipo I (PRMT1, PRMT2, PRMT3, PRMT4, PRMT6 y PRMT8) unen dos grupos metilo a un único átomo de nitrógeno terminal, produciendo dimetilarginina asimétrica ( N G,NG-dimetilarginina). Por el contrario, los PRMT de tipo II (PRMT5 y PRMT9) catalizan la formación de dimetilarginina simétrica con un grupo metilo en cada nitrógeno terminal (NG,N'G-dimetilarginina simétrica). Los PRMT de tipo I y II generan intermediarios NG-monometilarginina; PRMT7, el único PRMT tipo III conocido, produce únicamente arginina monometilada. [5]
La metilación de arginina generalmente ocurre en regiones ricas en glicina y arginina denominadas "motivos GAR", [6] lo que probablemente se debe a la mayor flexibilidad de estas regiones que permite la inserción de arginina en el sitio activo PRMT. Sin embargo, existen PRMT con secuencias consenso no GAR. [5] Los PRMT están presentes tanto en el núcleo como en el citoplasma. En las interacciones de las proteínas con los ácidos nucleicos, los residuos de arginina son importantes donantes de enlaces de hidrógeno para la columna vertebral de fosfato; se ha descubierto que muchas proteínas metiladas con arginina interactúan con el ADN o el ARN. [6] [7]
Las enzimas que facilitan la acetilación de histonas [ cita necesaria ] , así como las propias histonas, pueden metilarse con arginina. La metilación de la arginina afecta las interacciones entre proteínas y se ha implicado en una variedad de procesos celulares, incluido el tráfico de proteínas, la transducción de señales y la regulación transcripcional. [6] En epigenética, la metilación de arginina de las histonas H3 y H4 se asocia con una estructura de cromatina más accesible y, por lo tanto, niveles más altos de transcripción. La existencia de arginina desmetilasas que podrían revertir la metilación de la arginina es controvertida. [5]
La lisina puede metilarse una, dos o tres veces mediante lisina metiltransferasas (PKMT). [8] La mayoría de las lisina metiltransferasas contienen un dominio SET evolutivamente conservado , que posee actividad metiltransferasa dependiente de S-adenosilmetionina , pero son estructuralmente distintas de otras proteínas de unión a S-adenosilmetionina. La metilación de lisina juega un papel central en cómo las histonas interactúan con las proteínas. [9] La metilación de la lisina puede revertirse mediante lisina desmetilasas (PKDM). [8]
Diferentes proteínas que contienen dominio SET poseen distintas especificidades de sustrato. Por ejemplo, SET1, SET7 y MLL metilan la lisina 4 de la histona H3, mientras que Suv39h1, ESET y G9a metilan específicamente la lisina 9 de la histona H3. La metilación en lisina 4 y lisina 9 son mutuamente excluyentes y las consecuencias epigenéticas de la metilación específica de sitio son diametralmente opuestas: la metilación en lisina 4 se correlaciona con un estado activo de transcripción, mientras que la metilación en lisina 9 se asocia con represión transcripcional y heterocromatina. Otros residuos de lisina en la histona H3 y la histona H4 también son sitios importantes de metilación por enzimas que contienen dominios SET específicos. Aunque las histonas son el objetivo principal de las lisina metiltransferasas, otras proteínas celulares transportan residuos de N-metillisina, incluido el factor de elongación 1A y la proteína sensora de calcio calmodulina . [9]
Muchas proteínas eucariotas se modifican postraduccionalmente en su extremo N. Una forma común de modificación N-terminal es la metilación N-terminal (Nt-metilación) por metiltransferasas N-terminales (NTMT). Las proteínas que contienen el motivo consenso H 2 N-X-Pro-Lys- (donde X puede ser Ala, Pro o Ser) después de la eliminación de la metionina iniciadora (iMet) pueden someterse a α-aminometilación N-terminal. [10] La monometilación puede tener efectos leves sobre la nucleofilicidad y basicidad del nitrógeno α-amino, mientras que la trimetilación (o dimetilación en el caso de la prolina) dará como resultado la abolición de la nucleofilicidad y una carga positiva permanente en el grupo amino N-terminal. Aunque desde un punto de vista bioquímico la desmetilación de aminas es posible, la Nt-metilación se considera irreversible ya que hasta la fecha no se ha descrito ninguna desmetilasa N-terminal. [10] Se ha descubierto que las variantes de histona CENP-A y CENP-B están Nt-metiladas in vivo. [10]
Las proteínas eucariotas con extremos C terminales que terminan en un motivo CAAX a menudo están sujetas a una serie de modificaciones postraduccionales. El procesamiento de la cola CAAX se lleva a cabo en tres pasos: primero, se une un anclaje de lípido prenílico a la cisteína a través de un enlace tioéster . Luego se produce la endoproteólisis para eliminar los últimos tres aminoácidos de la proteína para exponer el grupo prenilcisteína α-COOH. Finalmente, el grupo prenilcisteína expuesto se metila. La importancia de esta modificación se puede observar en la alteración dirigida de la metiltransferasa de las proteínas CAAX de ratón, donde la pérdida de isoprenilcisteína carboxil metiltransferasa resultó en letalidad a mitad de la gestación. [11]
La función biológica de la metilación de prenilcisteína es facilitar la dirección de las proteínas CAAX a las superficies de las membranas dentro de las células. La prenilcisteína se puede desmetilar y esta reacción inversa es catalizada por isoprenilcisteína carboxilmetilesterasas. La caja CAAX que contiene proteínas que están metiladas con prenilcisteína incluye Ras , proteínas de unión a GTP, láminas nucleares y ciertas proteínas quinasas . Muchas de estas proteínas participan en la señalización celular y utilizan la metilación de prenilcisteína para concentrarlas en la superficie citosólica de la membrana plasmática donde son funcionales. [11]
Las metilaciones en el extremo C pueden aumentar el repertorio químico de una proteína [12] y se sabe que tienen un efecto importante en las funciones de una proteína. [1]
En las células eucariotas, las fosfatasas catalizan la eliminación de grupos fosfato de las fosfoproteínas tirosina, serina y treonina. La subunidad catalítica de las principales serina/treonina fosfatasas, como la proteína fosfatasa 2, se modifica covalentemente mediante la metilación reversible de su extremo C para formar un éster carboximetílico de leucina . A diferencia de la metilación del motivo CAAX, no se requiere procesamiento C-terminal para facilitar la metilación. Este evento de metilación C-terminal regula el reclutamiento de proteínas reguladoras en complejos mediante la estimulación de interacciones proteína-proteína, regulando así indirectamente la actividad del complejo serina-treonina fosfatasas. [13] La metilación es catalizada por una proteína fosfatasa metiltransferasa única. El grupo metilo es eliminado por una proteína fosfatasa metilesterasa específica. Estas dos enzimas opuestas hacen que la metilación de las serina-treonina fosfatasas sea un proceso dinámico en respuesta a los estímulos. [13]
Las proteínas dañadas acumulan isoaspartilo , lo que provoca inestabilidad proteica, pérdida de actividad biológica y estimulación de respuestas autoinmunes. La degradación espontánea dependiente de la edad de los residuos de L-aspartilo da como resultado la formación de un intermedio succinimidilo, un radical succinimida . Éste se hidroliza espontáneamente nuevamente a L-aspartilo o, en una reacción más favorable, a L-isoaspartilo anormal. Existe una vía dependiente de metiltransferasa para la conversión de L-isoaspartilo nuevamente en L-aspartilo. Para evitar la acumulación de L-isoaspartilo, este residuo es metilado por la proteína L-isoaspartilo metiltransferasa , que cataliza la formación de un éster metílico, que a su vez se convierte nuevamente en un intermedio de succinimidilo. [14] Las mutaciones de pérdida y ganancia de función han desenmascarado la importancia biológica de la L-isoaspartil O-metiltransferasa en los procesos relacionados con la edad: los ratones que carecen de la enzima mueren jóvenes de epilepsia fatal, mientras que las moscas diseñadas para sobreexpresarla tienen un aumento en vida útil superior al 30%. [14]
Un tema común con las proteínas metiladas, al igual que con las proteínas fosforiladas, es el papel que desempeña esta modificación en la regulación de las interacciones proteína-proteína . La metilación de proteínas con arginina puede inhibir o promover las interacciones proteína-proteína según el tipo de metilación. "La dimetilación asimétrica de residuos de arginina muy próximos a motivos ricos en prolina puede inhibir la unión a dominios SH3 ". [15] El efecto opuesto se observa con las interacciones entre la proteína de supervivencia de las neuronas motoras y las proteínas snRNP SmD1, SmD3 y SmB/B', donde la unión se promueve mediante la dimetilación simétrica de los residuos de arginina en las proteínas snRNP. [dieciséis]
Un ejemplo bien caracterizado de una interacción proteína-proteína dependiente de la metilación está relacionada con la metilación selectiva de la lisina 9, por SUV39H1 en la cola N-terminal de la histona H3 . [9] La dimetilación y trimetilación de este residuo de lisina facilita la unión de la proteína heterocromatina 1 (HP1). Debido a que HP1 y Suv39h1 interactúan, se cree que la unión de HP1 a la histona H3 se mantiene e incluso permite que se propague a lo largo de la cromatina. La proteína HP1 alberga un cromodominio que es responsable de la interacción dependiente de metilo entre ella y la lisina 9 de la histona H3. Es probable que proteínas adicionales que contienen cromodominios se unan al mismo sitio que HP1 y a otras posiciones metiladas de lisina en las histonas H3 y la histona H4 . [13]
La metilación de la proteína C-terminal regula el ensamblaje de la proteína fosfatasa. La metilación de la subunidad catalítica de la proteína fosfatasa 2A mejora la unión de la subunidad B reguladora y facilita el ensamblaje de la holoenzima. [13]