Metilación de proteínas

La metilación de proteínas es un tipo de modificación postraduccional que consiste en la adición de grupos metilo a las proteínas . Puede ocurrir en las cadenas laterales que contienen nitrógeno de la arginina y la lisina , ^{[1] [2]} pero también en los extremos amino y carboxilo de varias proteínas diferentes. En biología, las metiltransferasas catalizan el proceso de metilación, activado principalmente por la S-adenosilmetionina . La metilación de proteínas ha sido más estudiada en las histonas , donde la transferencia de grupos metilo desde la S-adenosilmetionina es catalizada por las metiltransferasas de histonas . Las histonas que están metiladas en ciertos residuos pueden actuar epigenéticamente para reprimir o activar la expresión génica. ^{[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 un procesamiento previo.

La arginina puede metilarse una vez (arginina monometilada) o dos veces (arginina dimetilada). La metilación de los residuos de arginina es catalizada por tres clases diferentes de metiltransferasas de la proteína arginina (PRMT): las 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 (N G,N G-dimetilarginina). Por el contrario, las PRMT de tipo II (PRMT5 y PRMT9) catalizan la formación de dimetilarginina simétrica con un grupo metilo en cada nitrógeno terminal (N G,N' G-dimetilarginina simétrica). Las PRMT de tipo I y II generan intermediarios de N G-monometilarginina; la PRMT7, la única PRMT de tipo III conocida, produce solo arginina monometilada. ^[5]

La metilación de la arginina ocurre generalmente en regiones ricas en glicina y arginina, conocidas como "motivos GAR", ^[6] lo que probablemente se deba a la mayor flexibilidad de estas regiones que permite la inserción de arginina en el sitio activo de la PRMT. Sin embargo, existen PRMT con secuencias de consenso que no son GAR. ^[5] Las 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 cadena principal 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 requerida ]} así como las propias histonas pueden ser metiladas con arginina. La metilación de arginina afecta las interacciones entre proteínas y ha sido implicada en una variedad de procesos celulares, incluyendo el tráfico de proteínas, la transducción de señales y la regulación transcripcional. ^[6] En epigenética, la metilación con arginina de las histonas H3 y H4 está asociada con una estructura de cromatina más accesible y por lo tanto con niveles más altos de transcripción. La existencia de arginina desmetilasas que podrían revertir la metilación de arginina es controvertida. ^[5]

La lisina puede ser metilada una, dos o tres veces por las metiltransferasas de lisina (PKMT). ^[8] La mayoría de las metiltransferasas de lisina contienen un dominio SET conservado evolutivamente , que posee actividad de metiltransferasa dependiente de S-adenosilmetionina , pero son estructuralmente distintas de otras proteínas de unión a S-adenosilmetionina. La metilación de la lisina juega un papel central en cómo las histonas interactúan con las proteínas. ^[9] La metilación de la lisina puede ser revertida por las desmetilasas de lisina (PKDM). ^[8]

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 son mutuamente excluyentes 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 está asociada 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 metiltransferasas de lisina, 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-terminal. Una forma común de modificación N-terminal es la metilación N-terminal (Nt-metilación) por metiltransferasas N-terminales (NTMTs). Las proteínas que contienen el motivo de consenso H2N _- X-Pro-Lys- (donde X puede ser Ala, Pro o Ser) después de la eliminación de la metionina iniciadora (iMet) pueden estar sujetas a α-amino-metilación N-terminal. ^[10] La monometilación puede tener ligeros efectos en la nucleofilia 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 nucleofilia 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 que terminan en un motivo CAAX suelen estar sujetas a una serie de modificaciones postraduccionales. El procesamiento de la cola 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 y exponer el grupo α-COOH de la prenilcisteína. Finalmente, se metila el grupo prenilcisteína expuesto. La importancia de esta modificación se puede ver en la interrupción dirigida de la metiltransferasa para las proteínas CAAX de ratón, donde la pérdida de la carboxil metiltransferasa de isoprenilcisteína resultó en letalidad a mitad de la gestación. ^[11]

La función biológica de la metilación de la prenilcisteína es facilitar la orientación de las proteínas CAAX a las superficies de la membrana dentro de las células. La prenilcisteína puede desmetilarse y esta reacción inversa es catalizada por las carboxilmetilesterasas de isoprenilcisteína. Las proteínas que contienen la caja CAAX que están metiladas con prenilcisteína incluyen 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 la 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 de tirosina, serina y treonina. La subunidad catalítica de las principales fosfatasas de serina/treonina, como la proteína fosfatasa 2, se modifica covalentemente mediante la metilación reversible de su extremo C para formar un éster carboximetil de leucina . A diferencia de la metilación del motivo CAAX, no se requiere ningún procesamiento del extremo C para facilitar la metilación. Este evento de metilación del extremo C regula el reclutamiento de proteínas reguladoras en complejos mediante la estimulación de interacciones proteína-proteína, regulando así indirectamente la actividad del complejo de las fosfatasas de serina-treonina. ^[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 intermediario succinimidilo, un radical succinimida . Este se hidroliza espontáneamente de nuevo a L-aspartilo o, en una reacción más favorable, a L-isoaspartilo anormal. Existe una vía dependiente de la metiltransferasa para la conversión de L-isoaspartilo de nuevo a L-aspartilo. 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 intermediario 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 letal, mientras que las moscas modificadas genéticamente para sobreexpresarla tienen un aumento de la esperanza de vida de más del 30%. ^[14]

Un tema común con las proteínas metiladas, al igual que con las proteínas fosforiladas, es el papel que esta modificación desempeña en la regulación de las interacciones proteína-proteína . La metilación de las proteínas con arginina puede inhibir o promover las interacciones proteína-proteína dependiendo del tipo de metilación. La dimetilación asimétrica de los residuos de arginina en estrecha proximidad a los motivos ricos en prolina puede inhibir la unión a los 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 es promovida por la dimetilación simétrica de los residuos de arginina en las proteínas snRNP. ^[16]

Un ejemplo bien caracterizado de una interacción proteína-proteína dependiente de metilación está relacionado con la metilación selectiva de la lisina 9, por SUV39H1 en la cola N-terminal de la histona H3 . ^[9] 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 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 contengan cromodominio 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 2A de la proteína fosfatasa mejora la unión de la subunidad B reguladora y facilita el ensamblaje de la holoenzima. ^[13]