Las metiltransferasas de histonas ( HMT ) son enzimas modificadoras de histonas (p. ej., N-metiltransferasas de histona-lisina y N-metiltransferasas de histona-arginina), que catalizan la transferencia de uno, dos o tres grupos metilo a residuos de lisina y arginina de proteínas histonas . La unión de grupos metilo ocurre predominantemente en residuos específicos de lisina o arginina en las histonas H3 y H4. [1] Existen dos tipos principales de metiltransferasas de histonas, las específicas de lisina (que pueden contener o no el dominio SET ( S u(var)3-9, Enhancer of Zeste, Trithorax ) ) y las específicas de arginina. [2] [3] [4] En ambos tipos de metiltransferasas de histonas, la S-adenosil metionina (SAM) sirve como cofactor y grupo donante de metilo. [1] [5] [6] [7]
El ADN genómico de los eucariotas se asocia con las histonas para formar la cromatina . [8] El nivel de compactación de la cromatina depende en gran medida de la metilación de las histonas y otras modificaciones postraduccionales de las histonas. [9] La metilación de las histonas es una modificación epigenética principal de la cromatina [9] que determina la expresión genética, la estabilidad genómica, la maduración de las células madre, el desarrollo del linaje celular, la impronta genética, la metilación del ADN y la mitosis celular. [2]
La clase de metiltransferasas de histonas específicas de lisina se subdivide en las que contienen el dominio SET y las que no lo contienen. Como lo indican sus nombres, se diferencian en la presencia de un dominio SET, que es un tipo de dominio proteico.
Los genes humanos que codifican proteínas con actividad de histona metiltransferasa incluyen:
Las estructuras implicadas en la actividad de la metiltransferasa son el dominio SET (compuesto por aproximadamente 130 aminoácidos), los dominios pre-SET y post-SET. Los dominios pre-SET y post-SET flanquean el dominio SET a ambos lados. La región pre-SET contiene residuos de cisteína que forman grupos triangulares de zinc, uniendo firmemente los átomos de zinc y estabilizando la estructura. El dominio SET en sí contiene un núcleo catalítico rico en cadenas β que, a su vez, forman varias regiones de láminas β. A menudo, las cadenas β que se encuentran en el dominio pre-SET formarán láminas β con las cadenas β del dominio SET, lo que conduce a ligeras variaciones en la estructura del dominio SET. Estos pequeños cambios alteran la especificidad del sitio del residuo diana para la metilación y permiten que las metiltransferasas del dominio SET se dirijan a muchos residuos diferentes. Esta interacción entre el dominio pre-SET y el núcleo catalítico es fundamental para la función enzimática. [1]
Para que la reacción se lleve a cabo, la S-adenosil metionina (SAM) y el residuo de lisina de la cola de la histona sustrato primero deben estar unidos y orientados correctamente en el bolsillo catalítico del dominio SET. A continuación, un residuo de tirosina cercano desprotona el grupo ε-amino del residuo de lisina. [10] La cadena de lisina luego realiza un ataque nucleofílico en el grupo metilo en el átomo de azufre de la molécula de SAM, transfiriendo el grupo metilo a la cadena lateral de lisina.
En lugar de SET, la metiltransferasa de histonas que no contiene el dominio SET utiliza la enzima Dot1. A diferencia del dominio SET, que se dirige a la región de la cola de lisina de la histona, Dot1 metila un residuo de lisina en el núcleo globular de la histona y es la única enzima conocida que lo hace. [1] Se encontró un posible homólogo de Dot1 en arqueas que muestra la capacidad de metilar proteínas similares a histonas arqueales en estudios recientes.
El extremo N de Dot1 contiene el sitio activo. Un bucle que actúa como sitio de unión para SAM une los dominios N-terminal y C-terminal del dominio catalítico de Dot1. El C-terminal es importante para la especificidad del sustrato y la unión de Dot1 porque la región tiene una carga positiva, lo que permite una interacción favorable con la estructura principal del ADN cargada negativamente. [11] Debido a limitaciones estructurales, Dot1 solo puede metilar la histona H3.
Existen tres tipos diferentes de metiltransferasas de proteína arginina (PRMT) y tres tipos de metilación que pueden ocurrir en los residuos de arginina en las colas de las histonas. El primer tipo de PRMT ( PRMT1 , PRMT3 , CARM1 ⧸PRMT4 y Rmt1⧸Hmt1) produce monometilarginina y dimetilarginina asimétrica (Rme2a). [12] [13] [14] El segundo tipo (JBP1⧸ PRMT5 ) produce monometilarginina o dimetilarginina simétrica (Rme2s). [5] El tercer tipo (PRMT7) produce solo arginina monometilada. [15] Las diferencias en los patrones de metilación de las PRMT surgen de restricciones en el bolsillo de unión de la arginina. [5]
El dominio catalítico de los PRMT consta de un dominio de unión de SAM y un dominio de unión del sustrato (aproximadamente 310 aminoácidos en total). [5] [6] [7] Cada PRMT tiene una región N-terminal única y un núcleo catalítico. El residuo de arginina y SAM deben estar correctamente orientados dentro del bolsillo de unión. SAM está asegurado dentro del bolsillo por una interacción hidrofóbica entre un anillo de adenina y un anillo de fenilo de una fenilalanina. [7]
Un glutamato en un bucle cercano interactúa con los nitrógenos del residuo de arginina objetivo. Esta interacción redistribuye la carga positiva y conduce a la desprotonación de un grupo de nitrógeno, [16] que luego puede realizar un ataque nucleofílico al grupo metilo de SAM. Las diferencias entre los dos tipos de PRMT determinan el siguiente paso de metilación: ya sea catalizando la dimetilación de un nitrógeno o permitiendo la metilación simétrica de ambos grupos. [5] Sin embargo, en ambos casos el protón extraído del nitrógeno se dispersa a través de un sistema de relevo de protones de histidina-aspartato y se libera en la matriz circundante. [17]
La metilación de histonas desempeña un papel importante en la regulación epigenética de los genes . Las histonas metiladas pueden reprimir o activar la transcripción, como sugieren diferentes hallazgos experimentales, dependiendo del sitio de metilación. Por ejemplo, es probable que la metilación de la lisina 9 en la histona H3 (H3K9me3) en la región promotora de los genes evite la expresión excesiva de estos genes y, por lo tanto, retrase la transición y/o proliferación del ciclo celular. [18] Por el contrario, la metilación de los residuos de histonas H3K4, H3K36 y H3K79 está asociada con la eucromatina transcripcionalmente activa. [2]
Dependiendo del sitio y la simetría de la metilación, las argininas metiladas se consideran marcas de histonas activadoras (histona H4R3me2a, H3R2me2s, H3R17me2a, H3R26me2a) o represivas (H3R2me2a, H3R8me2a, H3R8me2s, H4R3me2s). [15] En general, el efecto de una metiltransferasa de histonas sobre la expresión génica depende en gran medida de qué residuo de histona metila. Véase Regulación de la histona y la cromatina .
Se ha observado una expresión o actividad anormal de enzimas reguladoras de la metilación en algunos tipos de cánceres humanos, lo que sugiere asociaciones entre la metilación de histonas y la transformación maligna de células o la formación de tumores. [18] En los últimos años, la modificación epigenética de las proteínas histonas, especialmente la metilación de la histona H3, en el desarrollo del cáncer ha sido un área de investigación emergente. Ahora se acepta generalmente que, además de las aberraciones genéticas, el cáncer puede iniciarse por cambios epigenéticos en los que se altera la expresión génica sin anomalías genómicas. Estos cambios epigenéticos incluyen pérdida o ganancia de metilaciones tanto en el ADN como en las proteínas histonas. [18]
Aún no hay evidencia convincente que sugiera que los cánceres se desarrollan únicamente por anomalías en la metilación de las histonas o sus vías de señalización, sin embargo, pueden ser un factor contribuyente. Por ejemplo, se ha observado una regulación negativa de la metilación de la lisina 9 en la histona 3 (H3K9me3) en varios tipos de cáncer humano (como el cáncer colorrectal, el cáncer de ovario y el cáncer de pulmón), que surgen de la deficiencia de metiltransferasas H3K9 o de una actividad o expresión elevada de desmetilasas H3K9. [18] [19] [20]
La metilación de la lisina de la histona tiene un papel importante en la elección de la vía de reparación de las roturas de doble cadena del ADN . [21] Como ejemplo, la H3K36 trimetilada es necesaria para la reparación recombinacional homóloga , mientras que la H4K20 dimetilada puede reclutar la proteína 53BP1 para la reparación mediante la vía de unión de extremos no homólogos .
Las histonas metiltransferasas pueden utilizarse como biomarcadores para el diagnóstico y pronóstico de cánceres. Además, aún quedan muchas preguntas sobre la función y regulación de las histonas metiltransferasas en la transformación maligna de células, la carcinogénesis del tejido y la tumorigénesis. [18]
