WikiDer > Метилирование белков

Protein methylation

Метилирование белков это тип посттрансляционная модификация с добавлением метильные группы к белкам. Это может происходить на азотсодержащих боковых цепях аргинин и лизин[1][2], но также на амино- и карбокси-концах ряда различных белков. В биологии метилтрансферазы катализировать процесс метилирования, активируемый в первую очередь S-аденозилметионин. Метилирование белков наиболее изучено в гистоны, где перенос метильных групп от S-аденозилметионина катализируется гистоновые метилтрансферазы. Гистоны, метилированные по определенным остаткам, могут действовать эпигенетически подавить или активировать экспрессию генов.[3][4]

Метилирование субстратом

Множественные сайты белков могут быть метилированы. Для некоторых типов метилирования, таких как N-концевое метилирование и метилирование пренилцистеина, требуется дополнительная обработка, тогда как другие типы метилирования, такие как метилирование аргинина и метилирование лизина, не требуют предварительной обработки.

Аргинин

Метилирование аргинина PRMT типа I и II.

Аргинин может быть метилирован один раз (монометилированный аргинин) или дважды (диметилированный аргинин). Метилирование остатков аргинина катализируется тремя различными классами белковых аргининметилтрансфераз (PRMT): PRMT типа I (PRMT1, PRMT2, PRMT3, PRMT4, PRMT6 и PRMT8) присоединяют две метильные группы к одному концевому атому азота, образуя асимметричный диметиларгинин (N G, N G-диметиларгинин). Напротив, PRMT типа II (PRMT5 и PRMT9) катализируют образование симметричного диметиларгинина с одной метильной группой на каждом концевом азоте (симметричный N G, N 'G-диметиларгинин). PRMT типа I и II генерируют промежуточные соединения N G-монометиларгинина; PRMT7, единственный известный PRMT типа III, производит только монометилированный аргинин. [5]

Метилирование аргинина обычно происходит в областях, богатых глицином и аргинином, называемых «мотивами GAR»,[6] что, вероятно, связано с повышенной гибкостью этих областей, которая позволяет встраивать аргинин в активный сайт PRMT. Тем не менее существуют PRMT с консенсусными последовательностями, не относящимися к GAR.[5] PRMT присутствуют как в ядре, так и в цитоплазме. При взаимодействии белков с нуклеиновыми кислотами остатки аргинина являются важными донорами водородных связей для фосфатного остова - было обнаружено, что многие аргинин-метилированные белки взаимодействуют с ДНК или РНК.[6][7]

Ферменты, облегчающие гистон ацетилирование[нужна цитата] а также сами гистоны могут быть метилированы аргинином. Метилирование аргинина влияет на взаимодействия между белками и вовлечено во множество клеточных процессов, включая перенос белков, передачу сигналов и регуляцию транскрипции.[6] В эпигенетике метилирование аргинином гистонов H3 и H4 связано с более доступной структурой хроматина и, следовательно, более высокими уровнями транскрипции. Существование аргининдеметилаз, которые могут обратить вспять метилирование аргинина, является спорным.[5]

Лизин

Метилирование лизина с помощью PKMT и деметилирование с помощью PKDM.

Лизин может быть метилирован один, два или три раза лизинметилтрансферазами (PKMT).[8] Большинство лизинметилтрансфераз содержат эволюционно консервативный SET домен, которая обладает S-аденозилметионин-зависимая активность метилтрансферазы, но структурно отличается от других связывающих S-аденозилметионин белков. Метилирование лизина играет центральную роль в том, как гистоны взаимодействуют с белками.[9] Метилирование лизина может быть отменено лизином деметилазы (ПКДМ).[8]

Различные белки, содержащие домен SET, обладают различной субстратной специфичностью. Например, SET1, SET7 и MLL метилируют лизин 4 гистона H3, тогда как Suv39h1, ESET и G9a специфически метилируют лизин 9 гистона H3. Метилирование лизина 4 и лизина 9 являются взаимоисключающими, и эпигенетические последствия сайт-специфического метилирования диаметрально противоположны: метилирование лизина 4 коррелирует с активным состоянием транскрипции, тогда как метилирование лизина 9 связано с репрессией транскрипции и гетерохроматином. Другие остатки лизина на гистон H3 и гистон H4 также являются важными сайтами метилирования специфическими ферментами, содержащими домен SET. Хотя гистоны являются основной мишенью для лизинметилтрансфераз, другие клеточные белки несут остатки N-метиллизина, включая фактор элонгации 1A и белок, чувствительный к кальцию. кальмодулин.[9]

N-концевое метилирование

Многие эукариотические белки посттрансляционно модифицируются на своем N-конце. Распространенной формой N-концевой модификации является N-концевое метилирование (Nt-метилирование) N-концевыми метилтрансферазами (NTMT). Белки, содержащие консенсусный мотив H2N-X-Pro-Lys- (где X может быть Ala, Pro или Ser) после удаления инициатора метионина (iMet) может подвергаться N-концевому α-аминометилированию.[10] Монометилирование может иметь небольшое влияние на нуклеофильность и основность α-амино азота, тогда как триметилирование (или диметилирование в случае пролина) приведет к отмене нуклеофильности и постоянному положительному заряду на N-концевой аминогруппе. Хотя с биохимической точки зрения деметилирование аминов Возможно, Nt-метилирование считается необратимым, поскольку N-концевую деметилазу на сегодняшний день не описано.[10] Варианты гистонов CENP-A и CENP-B было обнаружено, что in vivo Nt-метилирован.[10]

Пренилцистеин

Эукариотический белки с С-концом, заканчивающимся мотивом CAAX, часто подвергаются серии посттрансляционных модификаций. Обработка хвоста CAAX происходит в три этапа: во-первых, прениловый липидный якорь прикреплен к цистеину через тиоэфир связь. Затем происходит эндопротеолиз, чтобы удалить последние три аминокислоты белка, чтобы обнажить пренилцистеиновую α-COOH группу. Наконец, открытая пренилцистеиновая группа метилируется. Важность этой модификации можно увидеть в целенаправленном разрушении метилтрансферазы для белков CAAX мышей, когда потеря изопренилцистеинкарбоксилметилтрансферазы приводила к летальному исходу в середине беременности.[11]

Биологическая функция метилирования пренилцистеина состоит в том, чтобы облегчить нацеливание белков CAAX на поверхности мембран внутри клеток. Пренилцистеин может быть деметилирован, и эта обратная реакция катализируется изопренилцистеинкарбоксилметилэстеразой. Блок CAAX, содержащий метилированные пренилцистеин белки, включает: Рас, GTP-связывающие белки, ядерные ламины и некоторые протеинкиназы. Многие из этих белков участвуют в передаче сигналов клетками, и они используют метилирование пренилцистеина, чтобы сконцентрировать их на цитозольной поверхности плазматической мембраны, где они функционируют.[11]

Метилирование на С-конце может увеличить химический репертуар белка.[12] и известно, что они имеют большое влияние на функции белка.[1]

Протеиновая фосфатаза 2

В эукариотических клетках фосфатазы катализируют удаление фосфатных групп из фосфопротеинов тирозина, серина и треонина. Каталитическая субъединица основных серин / треонинфосфатаз, таких как Протеиновая фосфатаза 2 ковалентно модифицируется обратимым метилированием своего C-конца с образованием лейцин карбоксиметиловый эфир. В отличие от метилирования мотива CAAX, для облегчения метилирования не требуется C-концевой процессинг. Это событие C-концевого метилирования регулирует рекрутирование регуляторных белков в комплексы посредством стимуляции белок-белковых взаимодействий, таким образом косвенно регулируя активность комплекса серин-треонинфосфатаз.[13] Метилирование катализируется уникальной протеинфосфатазой метилтрансферазой. Метильная группа удаляется специфической метилэстеразой протеинфосфатазы. Эти два противоположных фермента делают метилирование серин-треонинфосфатаз динамичным процессом в ответ на раздражители.[13]

L-изоаспартил

Накапливаются поврежденные белки изоаспартил что вызывает нестабильность белка, потерю биологической активности и стимуляцию аутоиммунных реакций. Спонтанная возрастная деградация остатков L-аспартила приводит к образованию промежуточного сукцинимидила, a сукцинимид радикальный. Он самопроизвольно гидролизуется либо обратно до L-аспартила, либо, при более благоприятной реакции, до аномального L-изоаспартила. Для превращения L-изоаспартила обратно в L-аспартил существует зависимый от метилтрансферазы путь. Чтобы предотвратить накопление L-изоаспартила, этот остаток метилируется белком L-изоаспартилметилтрансфераза, который катализирует образование сложного метилового эфира, который, в свою очередь, снова превращается в сукцинимидиловый промежуточный продукт.[14] Мутации, связанные с утратой и усилением функции, выявили биологическое значение L-изоаспартил-O-метилтрансферазы в возрастных процессах: мыши, лишенные фермента, умирают молодыми от фатальной эпилепсии, в то время как мухи, сконструированные для его сверхэкспрессии, имеют увеличение продолжительности жизни. за 30%.[14]

Физические эффекты

Общей темой для метилированных белков, как и для фосфорилированных белков, является роль, которую эта модификация играет в регуляции белок-белковые взаимодействия. Метилирование белков аргинином может либо ингибировать, либо способствовать межбелковым взаимодействиям в зависимости от типа метилирования. Асимметричное диметилирование остатков аргинина в непосредственной близости от мотивов, богатых пролином, может ингибировать связывание с SH3 домены.[15] Противоположный эффект наблюдается при взаимодействии между выживанием белка двигательных нейронов и белками snRNP SmD1, SmD3 и SmB / B ', где связывание стимулируется симметричным диметилированием остатков аргинина в белках snRNP.[16]

Хорошо описанный пример зависимого от метилирования белок-белкового взаимодействия связан с селективным метилированием лизина 9 посредством SUV39H1 на N-концевом хвосте гистон H3.[9] Ди- и три-метилирование этого остатка лизина облегчает связывание гетерохроматиновый белок 1 (HP1). Поскольку HP1 и Suv39h1 взаимодействуют, считается, что связывание HP1 с гистоном H3 сохраняется и даже позволяет этому распространяться по хроматину. Белок HP1 содержит хромодомен который отвечает за метилзависимое взаимодействие между ним и лизином 9 гистона H3. Вероятно, что дополнительные содержащие хромодомены белки будут связываться с тем же сайтом, что и HP1, и с другими метилированными позициями лизина на гистонах H3 и Гистон H4.[13]

С-концевое метилирование белка регулирует сборку протеинфосфатазы. Метилирование протеинфосфатаза 2А каталитическая субъединица усиливает связывание регуляторной субъединицы B и облегчает сборку холофермента.[13]

Рекомендации

  1. ^ а б Schubert, H .; Blumenthal, R .; Ченг, X. (2007). «1 Белковые метилтрансферазы: их распределение среди пяти структурных классов адомет-зависимых метилтрансфераз 1». Ферменты. 24: 3–22. Дои:10.1016 / S1874-6047 (06) 80003-X. ISBN 9780121227258. PMID 26718035.
  2. ^ Уолш, Кристофер (2006). «Глава 5 - Метилирование белков» (PDF). Посттрансляционная модификация белков: расширение запасов природы. Робертс и Ко. Издатели. ISBN 0-9747077-3-2. Архивировано из оригинал (PDF) на 2009-12-29.
  3. ^ Grewal, S. I .; Райс, Дж. К. (2004). «Регулирование гетерохроматина с помощью метилирования гистонов и малых РНК». Текущее мнение в области клеточной биологии. 16 (3): 230–238. Дои:10.1016 / j.ceb.2004.04.002. PMID 15145346.
  4. ^ Nakayama, J. -I .; Rice, J.C .; Strahl, B.D .; Allis, C.D .; Гревал, С. И. (2001). «Роль метилирования гистона H3 лизина 9 в эпигенетическом контроле сборки гетерохроматина». Наука. 292 (5514): 110–113. Bibcode:2001Научный ... 292..110N. Дои:10.1126 / science.1060118. PMID 11283354. S2CID 16975534.
  5. ^ а б c Blanc, Roméo S .; Ричард, Стефан (2017). «Метилирование аргинина: взросление». Молекулярная клетка. 65 (1): 8–24. Дои:10.1016 / j.molcel.2016.11.003. PMID 28061334.
  6. ^ а б c McBride, A .; Сильвер, П. (2001). «Состояние Arg: метилирование белков при достижении возраста аргинина». Клетка. 106 (1): 5–8. Дои:10.1016 / S0092-8674 (01) 00423-8. PMID 11461695. S2CID 17755108.
  7. ^ Бедфорд, Марк Т .; Кларк, Стивен Г. (2009). «Метилирование протеина и аргинина у млекопитающих: кто, что и почему». Молекулярная клетка. 33 (1): 1–13. Дои:10.1016 / j.molcel.2008.12.013. ЧВК 3372459. PMID 19150423.
  8. ^ а б Ван, Ю-Цзе; Peterson, Suzanne E .; Лоринг, Жанна Ф. (2013). «Посттрансляционные модификации белков и регуляция плюрипотентности в стволовых клетках человека». Клеточные исследования. 24 (2): 143–160. Дои:10.1038 / cr.2013.151. ЧВК 3915910. PMID 24217768.
  9. ^ а б c Кузаридес, Т. (2002). «Метилирование гистонов в контроле транскрипции». Текущее мнение в области генетики и развития. 12 (2): 198–209. Дои:10.1016 / S0959-437X (02) 00287-3. PMID 11893494.
  10. ^ а б c Варланд, Сильвия; Осберг, Камилла; Арнесен, Томас (2015). «N-концевые модификации клеточных белков: вовлеченные ферменты, их субстратная специфичность и биологические эффекты». Протеомика. 15 (14): 2385–2401. Дои:10.1002 / pmic.201400619. ЧВК 4692089. PMID 25914051.
  11. ^ а б Берго, М. (2000). «Дефицит изопренилцистеинкарбоксилметилтрансферазы у мышей». Журнал биологической химии. 276 (8): 5841–5845. Дои:10.1074 / jbc.c000831200. PMID 11121396.
  12. ^ Кларк, S (1993). «Метилирование белков». Curr. Мнение. Cell Biol. 5 (6): 977–83. Дои:10.1016 / 0955-0674 (93) 90080-А. PMID 8129951.
  13. ^ а б c d Толстых, Т (2000). «Карбоксильное метилирование регулирует фосфатазу 2A фосфопротеина, контролируя ассоциацию регуляторных субъединиц B». Журнал EMBO. 19 (21): 5682–5691. Дои:10.1093 / emboj / 19.21.5682. ЧВК 305779. PMID 11060019.
  14. ^ а б Кларк, S (2003). «Старение как война между химическими и биохимическими процессами: метилирование белков и распознавание поврежденных возрастом белков для восстановления». Обзоры исследований старения. 2 (3): 263–285. Дои:10.1016 / S1568-1637 (03) 00011-4. PMID 12726775. S2CID 18135051.
  15. ^ Бедфорд, М. (2000). «Метилирование аргинина ингибирует связывание богатых пролином лигандов с Src гомологией 3, но не с WW доменами». Журнал биологической химии. 275 (21): 16030–16036. Дои:10.1074 / jbc.m909368199. PMID 10748127.
  16. ^ Friesen, W .; Massenet, S .; Паушкин, С .; Wyce, A .; Дрейфус, Г. (2001). «SMN, продукт гена спинальной мышечной атрофии, связывается преимущественно с белками-мишенями, содержащими диметиларгинин». Молекулярная клетка. 7 (5): 1111–1117. Дои:10.1016 / S1097-2765 (01) 00244-1. PMID 11389857.