Histonmethyltransferase - Histone methyltransferase

Histon - Methyltransferasen ( HMT ) sind histonmodifizierende Enzyme (zB Histon-Lysin - N-Methyltransferasen und Histon-Arginin - N-Methyltransferasen), die katalysieren die Übertragung von einer, zwei oder drei Methylgruppen an Lysin und Arginin - Reste von Histon - Proteinen . Die Anlagerung von Methylgruppen erfolgt überwiegend an spezifischen Lysin- oder Argininresten der Histone H3 und H4. Zwei Haupttypen von Histon methyltranferases existieren, Lysin-spezifische (die eingestellt werden können ( S u (var) 3-9, E nHancer von Zeste, T rithorax) Domäne enthalten oder nicht-SET - Domäne enthält) und Arginin-spezifisch. In beiden Typen von Histon-Methyltransferasen dient S-Adenosylmethionin (SAM) als Cofaktor und Methyldonorgruppe.
Die genomische DNA von Eukaryoten verbindet sich mit Histone, um Chromatin zu bilden . Der Grad der Chromatinverdichtung hängt stark von der Histonmethylierung und anderen posttranslationalen Modifikationen von Histonen ab. Die Histon-Methylierung ist eine grundlegende epigenetische Modifikation des Chromatins, die Genexpression, genomische Stabilität, Stammzellreifung, Entwicklung der Zelllinie, genetische Prägung, DNA-Methylierung und Zellmitose bestimmt.

Vorderansicht des humanen Enzyms Histon-Lysin-N-Methyltransferase, H3-Lysin-4-spezifisch.

Rückansicht des humanen Enzyms Histon-Lysin-N-Methyltransferase, H3-Lysin-4-spezifisch. Aktive Sites deutlich sichtbar.

Typen

Die Klasse der Lysin-spezifischen Histon-Methyltransferasen wird in SET-Domänen-enthaltende und Nicht-SET-Domänen-enthaltend unterteilt. Wie durch ihre Moniker angezeigt, unterscheiden sich diese durch das Vorhandensein einer SET-Domäne, die eine Art Proteindomäne ist.

Humane Gene, die Proteine ​​mit Histon-Methyltransferase-Aktivität kodieren, umfassen:

• ASH1L
• DOT1L
• EHMT1 , EHMT2 , EZH1 , EZH2
• MLL , MLL2 , MLL3 , MLL4 , MLL5
• NSD1
• PRDM2
• SET , SETBP1 , SETD1A , SETD1B , SETD2 , SETD3 , SETD4 , SETD5 , SETD6 , SETD7 , SETD8 , SETD9 , SETDB1 , SETDB2
• SETMAR , SMYD1 , SMYD2 , SMYD3 , SMYD4 , SMYD5 , SUV39H1 , SUV39H2 , SUV420H1 , SUV420H2

SET-Domänen-enthaltend Lysin-spezifisch

Struktur

Die an der Methyltransferase-Aktivität beteiligten Strukturen sind die SET-Domäne (bestehend aus ungefähr 130 Aminosäuren), die Prä-SET- und die Post-SET-Domäne. Die Prä-SET- und Post-SET-Domänen flankieren die SET-Domäne auf beiden Seiten. Die Prä-SET-Region enthält Cysteinreste, die dreieckige Zinkcluster bilden, die die Zinkatome fest binden und die Struktur stabilisieren. Die SET-Domäne selbst enthält einen katalytischen Kern, der reich an β-Strängen ist, die wiederum mehrere Regionen von β-Faltblättern bilden. Häufig bilden die in der Prä-SET-Domäne gefundenen β-Stränge β-Faltblätter mit den β-Strängen der SET-Domäne, was zu leichten Variationen der SET-Domänenstruktur führt. Diese kleinen Änderungen verändern die Spezifität der Zielrest-Stelle für die Methylierung und ermöglichen es den SET-Domänen-Methyltransferasen, auf viele verschiedene Reste abzuzielen. Dieses Zusammenspiel zwischen der Prä-SET-Domäne und dem katalytischen Kern ist entscheidend für die Enzymfunktion.

Katalytischer Mechanismus

Damit die Reaktion ablaufen kann, müssen zuerst S-Adenosylmethionin (SAM) und der Lysinrest des Substrathistonschwanzes in der katalytischen Tasche der SET-Domäne gebunden und richtig ausgerichtet werden. Als nächstes deprotoniert ein nahegelegener Tyrosinrest die ε-Aminogruppe des Lysinrests. Die Lysinkette greift dann die Methylgruppe am Schwefelatom des SAM-Moleküls nukleophil an und überträgt die Methylgruppe auf die Lysinseitenkette.

Aktives Zentrum der Histon-Lysin-N-Methyltransferase. Lysinrest (in Gelb) und S-Adenosylmethionin (SAM) (in Blau) deutlich sichtbar.

Nicht-SET-Domänen-enthaltendes Lysin-spezifisch

Anstelle von SET verwendet die nicht-SET-Domänen enthaltende Histon-Methyltransferase das Enzym Dot1. Anders als die SET-Domäne, die auf die Lysin-Schwanzregion des Histons abzielt, methyliert Dot1 als einziges Enzym einen Lysinrest im globulären Kern des Histons. Ein mögliches Homolog von Dot1 wurde in Archaeen gefunden, das in neueren Studien die Fähigkeit zeigt, histonähnliches Protein aus Archaeen zu methylieren.

Struktur

Das N-Terminal von Dot1 enthält das aktive Zentrum. Eine Schleife, die als Bindungsstelle für SAM dient, verbindet die N-terminale und die C-terminale Domäne der katalytischen Domäne von Dot1. Der C-Terminus ist wichtig für die Substratspezifität und Bindung von Dot1, da die Region eine positive Ladung trägt, was eine günstige Wechselwirkung mit dem negativ geladenen Rückgrat der DNA ermöglicht. Aufgrund struktureller Einschränkungen kann Dot1 nur Histon H3 methylieren.

Arginin-spezifisch

Es gibt drei verschiedene Arten von Protein-Arginin-Methyltransferasen (PRMTs) und drei Arten von Methylierungen, die an Argininresten an Histonschwänzen auftreten können. Der erste Typ von PRMTs ( PRMT1 , PRMT3 , CARM1 PRMT4 und Rmt11)Hmt1) produziert Monomethylarginin und asymmetrisches Dimethylarginin (Rme2a). Der zweite Typ (JBP1⧸ PRMT5 ) produziert Monomethyl oder symmetrisches Dimethylarginin (Rme2s). Der dritte Typ (PRMT7) produziert nur monomethyliertes Arginin. Die Unterschiede in den Methylierungsmustern von PRMTs resultieren aus Restriktionen in der Arginin-Bindungstasche.

Struktur

Die katalytische Domäne von PRMTs besteht aus einer SAM-Bindungsdomäne und einer Substratbindungsdomäne (insgesamt etwa 310 Aminosäuren). Jedes PRMT hat eine einzigartige N-terminale Region und einen katalytischen Kern. Der Argininrest und SAM müssen innerhalb der Bindungstasche korrekt ausgerichtet sein. SAM wird innerhalb der Tasche durch eine hydrophobe Wechselwirkung zwischen einem Adeninring und einem Phenylring eines Phenylalanins gesichert.

Katalytischer Mechanismus

Ein Glutamat an einer nahegelegenen Schleife interagiert mit Stickstoffen am Ziel-Argininrest. Diese Wechselwirkung verteilt die positive Ladung um und führt zur Deprotonierung einer Stickstoffgruppe, die dann einen nukleophilen Angriff auf die Methylgruppe von SAM ausführen kann. Unterschiede zwischen den beiden Arten von PRMTs bestimmen den nächsten Methylierungsschritt: entweder die Dimethylierung eines Stickstoffs zu katalysieren oder die symmetrische Methylierung beider Gruppen zu ermöglichen. In beiden Fällen wird das vom Stickstoff abgespaltene Proton jedoch durch ein Histidin-Aspartat-Protonenrelaissystem dispergiert und in die umgebende Matrix freigesetzt.

Rolle bei der Genregulation

Die Histon-Methylierung spielt eine wichtige Rolle in der epigenetischen Genregulation . Methylierte Histone können die Transkription entweder unterdrücken oder aktivieren, wie verschiedene experimentelle Befunde nahelegen, abhängig von der Methylierungsstelle. Zum Beispiel ist es wahrscheinlich, dass die Methylierung von Lysin 9 an Histon H3 (H3K9me3) in der Promotorregion von Genen eine übermäßige Expression dieser Gene verhindert und daher den Zellzyklusübergang und/oder die Proliferation verzögert. Im Gegensatz dazu ist die Methylierung der Histonreste H3K4, H3K36 und H3K79 mit transkriptionell aktivem Euchromatin verbunden.

Je nach Ort und Symmetrie der Methylierung gelten methylierte Arginine als aktivierend (Histon H4R3me2a, H3R2me2s, H3R17me2a, H3R26me2a) oder als repressiv (H3R2me2a, H3R8me2a, H3R8me2s, H4R3me2s) Im Allgemeinen hängt die Wirkung einer Histon-Methyltransferase auf die Genexpression stark davon ab, welchen Histon-Rest sie methyliert. Siehe Histon#Chromatin-Regulierung .

Krankheitsrelevanz

Eine abnormale Expression oder Aktivität von methylierungsregulierenden Enzymen wurde bei einigen Arten von menschlichen Krebsarten festgestellt, was auf Assoziationen zwischen Histonmethylierung und maligner Transformation von Zellen oder der Bildung von Tumoren schließen lässt. In den letzten Jahren war die epigenetische Modifikation der Histonproteine, insbesondere die Methylierung des Histons H3, in der Krebsentwicklung ein Forschungsgebiet. Es ist mittlerweile allgemein anerkannt, dass Krebs zusätzlich zu genetischen Aberrationen durch epigenetische Veränderungen ausgelöst werden kann, bei denen die Genexpression ohne genomische Anomalien verändert wird. Diese epigenetischen Veränderungen umfassen den Verlust oder die Zunahme von Methylierungen sowohl in DNA als auch in Histonproteinen.

Es gibt noch keine zwingenden Beweise dafür, dass sich Krebs ausschließlich durch Anomalien in der Histonmethylierung oder seinen Signalwegen entwickelt, aber sie können ein beitragender Faktor sein. Beispielsweise wurde eine Herunterregulation der Methylierung von Lysin 9 an Histon 3 (H3K9me3) bei verschiedenen Krebsarten beim Menschen (wie Dickdarmkrebs, Eierstockkrebs und Lungenkrebs) beobachtet, die entweder durch einen Mangel an H3K9-Methyltransferasen oder erhöhte Aktivität oder Expression von H3K9-Demethylasen.

DNA-Reparatur

Die Methylierung von Histon- Lysin spielt eine wichtige Rolle bei der Wahl des Weges zur Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen . Beispielsweise ist trimethyliertes H3K36 für die homologe rekombinatorische Reparatur erforderlich , während dimethyliertes H4K20 das 53BP1- Protein für die Reparatur über den Weg der nicht-homologen Endverbindung rekrutieren kann .

Weitere Nachforschungen

Histonmethyltransferase könnte möglicherweise als Biomarker für die Diagnose und Prognose von Krebserkrankungen verwendet werden. Darüber hinaus bleiben viele Fragen zur Funktion und Regulation von Histon-Methyltransferasen bei der malignen Transformation von Zellen, der Karzinogenese des Gewebes und der Tumorentstehung.

Siehe auch

• Histon-modifizierende Enzyme
• Histon-Acetyltransferase (HAT)
• Histon-Deacetylase (HDAC)
• RNA-Polymerasekontrolle durch Chromatinstrukturin
• Histon-Methylierung

Verweise

Weiterlesen

Externe Links

• GeneReviews/NCBI/NIH/UW-Eintrag zum Kleefstra-Syndrom
• Histon-Lysin+N-Methyltransferase in der US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)
• Protein-Arginin+N-Methyltransferase in der US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)