Metilación de proteínas - Protein methylation
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 la arginina y la lisina , pero también en los extremos amino y carboxi de varias proteínas diferentes. En biología, las metiltransferasas catalizan el proceso de metilación, activado principalmente por 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 las histonas metiltransferasas . Las histonas que están metiladas en ciertos residuos pueden actuar epigenéticamente para reprimir o activar la expresión génica.
Metilación por sustrato
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 un procesamiento previo.
Arginina
La arginina se puede metilar una vez (arginina monometilada) o dos veces (arginina dimetilada). La metilación de residuos de arginina es catalizada por tres clases diferentes de proteínas arginina metiltransferasas (PRMT): PRMT de tipo I (PRMT1, PRMT2, PRMT3, PRMT4, PRMT6 y PRMT8) unen dos grupos metilo a un solo átomo de nitrógeno terminal, produciendo dimetilarginina asimétrica ( NG, N G-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 (simétrico N G, N 'G-dimetilarginina). Los PRMT de tipo I y II generan ambos intermedios de N G-monometilarginina; PRMT7, el único PRMT tipo III conocido, produce solo arginina monometilada.
La metilación de arginina se produce normalmente en las regiones ricas en glicina y arginina denominadas "motivos GAR", lo que probablemente se deba a la flexibilidad mejorada de estas regiones que permite la inserción de arginina en el sitio activo de PRMT. No obstante, existen PRMT con secuencias consenso distintas de GAR. Los PRMT están presentes tanto en el núcleo como en el citoplasma. En las interacciones de proteínas con ácidos nucleicos, los residuos de arginina son importantes donantes de enlaces de hidrógeno para la estructura del fosfato; se ha descubierto que muchas proteínas metiladas con arginina interactúan con el ADN o el ARN.
Las enzimas que facilitan la acetilación de histonas , 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. En epigenética, la metilación de la arginina de las histonas H3 y H4 se asocia con una estructura de cromatina más accesible y, por tanto, con niveles más altos de transcripción. La existencia de arginina desmetilasas que podrían revertir la metilación de la arginina es controvertida.
Lisina
La lisina se puede metilar una, dos o tres veces mediante lisina metiltransferasas (PKMT). La mayoría de las lisina metiltransferasas contienen un dominio SET conservado evolutivamente , 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. La metilación de lisina puede revertirse mediante lisina desmetilasas (PKDM).
Las diferentes proteínas que contienen el 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 la lisina 4 y la lisina 9 se excluyen mutuamente y las consecuencias epigenéticas de la metilación específica del sitio son diametralmente opuestas: la metilación en la lisina 4 se correlaciona con un estado activo de transcripción, mientras que la metilación en la lisina 9 se asocia con la represión transcripcional y la heterocromatina. Otros residuos de lisina en la histona H3 y la histona H4 también son sitios importantes de metilación por enzimas específicas que contienen el dominio SET. Aunque las histonas son el objetivo principal de las lisina metiltransferasas, otras proteínas celulares transportan residuos de N-metilisina, incluido el factor de elongación 1A y la proteína que detecta el calcio calmodulina .
Metilación N-terminal
Muchas proteínas eucariotas se modifican postraduccionalmente en su extremo N-terminal. 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-amino-metilación N-terminal. 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 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 es posible la desmetilación de las aminas , la metilación del Nt se considera irreversible ya que hasta la fecha no se ha descrito ninguna desmetilasa N-terminal. Se ha encontrado que las variantes de histonas CENP-A y CENP-B están metiladas en Nt in vivo.
Prenilcisteína
Las proteínas eucariotas con extremos C que terminan en un motivo CAAX a menudo se someten a una serie de modificaciones postraduccionales. El procesamiento de la cola de CAAX se lleva a cabo en tres pasos: Primero, se une un ancla lipídica prenil 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 α-COOH prenilcisteína. Finalmente, se metila el grupo prenilcisteína expuesto. La importancia de esta modificación se puede ver en la alteración dirigida de la metiltransferasa para las proteínas CAAX de ratón, donde la pérdida de isoprenilcisteína carboxil metiltransferasa resultó en letalidad a mitad de la gestación.
La función biológica de la metilación de prenilcisteína es facilitar la orientación 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 carboxil metilesterasas. La caja CAAX que contiene proteínas que están metiladas en prenilcisteína incluyen Ras , proteínas de unión a GTP, laminas nucleares y ciertas proteína 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.
Las metilaciones en el extremo C pueden aumentar el repertorio químico de una proteína y se sabe que tienen un efecto importante en las funciones de una proteína.
Proteína fosfatasa 2
En las células eucariotas, las fosfatasas catalizan la eliminación de grupos fosfato de las fosfoproteínas de 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-terminal para formar un carboximetiléster 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. 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.
L-isoaspartilo
Las proteínas dañadas acumulan isoaspartil 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 de nuevo a L-aspartilo o, en una reacción más favorable, a L-isoaspartilo anormal. Existe una ruta dependiente de metiltransferasa para la conversión de L-isoaspartil de nuevo en L-aspartil. Para evitar la acumulación de L-isoaspartilo, este residuo es metilado por la proteína L-isoaspartil metiltransferasa , que cataliza la formación de un éster metílico, que a su vez se convierte de nuevo en un intermedio succinimidilo. 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 mortal, mientras que las moscas diseñadas para sobreexpresarla tienen un aumento en la vida útil de más de 30%.
Efectos físicos
Un tema común con las proteínas metiladas, como 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 interacciones proteína-proteína según el tipo de metilación. La dimetilación asimétrica de residuos de arginina en estrecha proximidad a motivos ricos en prolina puede inhibir la unión a dominios SH3 . El efecto opuesto se observa con las interacciones entre la supervivencia de la proteína de las neuronas motoras y las proteínas snRNP SmD1, SmD3 y SmB / B ', donde la unión es promovida por la dimetilación simétrica de residuos de arginina en las proteínas snRNP.
Un ejemplo bien caracterizado de una interacción proteína-proteína dependiente de metilación está relacionado con la metilación selectiva de lisina 9, por SUV39H1 en la cola N-terminal de la histona H3 . La di y tri-metilación 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 se permite que se extienda 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 cromodominio se unan al mismo sitio que HP1 y a otras posiciones metiladas de lisina en las histonas H3 e Histona H4 .
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 holoenzimas.