Las ADN metiltransferasas ( DNA methylases, en inglés DNA methyltransferase, DNA MTase, DNMT ) son un grupo de enzimas que catalizan la metilación de residuos de nucleótidos en el ADN . La actividad de las metiltransferasas, que consiste en la transferencia de grupos metilo (CH 3 -) a la base nitrogenada citosina del ADN, provoca un cambio en las propiedades del ADN, mientras que la actividad, funciones de los genes correspondientes, así como la cambio en la estructura espacial del ácido nucleico ( conformación ).
Varios grupos de enzimas tienen actividad de ADN metiltransferasa :
Todas las ADN metiltransferasas conocidas utilizan S-adenosil-metionina como donante de grupos metilo .
Las citosina (C5)-DNA metiltransferasas catalizan la transferencia de un grupo metilo de S-adenosil-metionina a un residuo de citosina ubicado en una secuencia específica en el ADN de doble cadena , con la formación de 5-metilcitosina y S - adenosilhomocisteína . Esta reacción es irreversible. La comparación de la estructura de las ADN metiltransferasas procariotas y eucariotas permite asignarlas a la misma clase de enzimas . Todas estas enzimas son proteínas monoméricas que contienen regiones homólogas conservadas ( motivos ) responsables de funciones enzimáticas. La mayoría de las citosina (C5) -ADN metiltransferasas tienen hasta 10 de estos sitios. Entre ellos, hay 4 motivos moderadamente homólogos (II, III, V, VII), que pueden estar ausentes en algunas enzimas, y 6 motivos altamente homólogos (I, IV, VI, VIII, IX, X). Entre las secciones VIII y IX se encuentra el dominio TRD (dominio de reconocimiento de objetivo, dominio de reconocimiento de objetivo), cuya longitud y composición de aminoácidos son variables.
Después de la replicación del ADN , las metilasas de ADN eucariótico metilan la citosina en los sitios CpG y CpNpG en las hebras recién sintetizadas. Además, las metilasas de ADN eucariotas realizan la función de mantener la metilación. metilación de ADN de novo en sitios ya marcados.
Se han encontrado cuatro ADN metiltransferasas activas en mamíferos : DNMT1, DNMT2 (TRDMT1), DNMT3a y DNMT3b . También se encontró una proteína estructuralmente similar a la familia DNMT3, pero que no presenta actividad de metiltransferasa, DNMT3L ( similar a DNMT3 ).
La familia de ADN metiltransferasa DNMT1 de ratón es una proteína de 190 kDa que contiene 1620 residuos de aminoácidos . La actividad principal de esta enzima es metilar los sitios CpG hemimetilados. La molécula de ADN metiltransferasa DNMT1 es mucho más grande que la enzima procariótica debido a la presencia de una región reguladora N-terminal, que es 2/3 de la longitud total de la cadena polipeptídica. Es este sitio el responsable de la “preferencia” por parte de la enzima de los sitios hemimetilados sobre los no metilados. La región N-terminal reguladora está conectada a la región C-terminal catalítica usando repeticiones Gly - Lys . Se cree que el gen dnmt1 se formó mediante la fusión del gen de la ADN metilasa procariótica con uno o dos genes de proteínas de unión al ADN .
Proteínas asociadas con ADN metiltransferasas ( Buryanov, Shevchuk, 2005 )| ADN metil transferasa |
Proteína asociada |
Función de proteína asociada |
|---|---|---|
| DNMT1 | DNMT3a | metilación del ADN de novo |
| DNMT3b | mismo | |
| HDAC1 | histona desacetilasa | |
| HDAC2 | mismo | |
| SUV39H1 | histona metiltransferasa H3 (Lys9) | |
| Rb | supresor de tumor | |
| LMP-RAR | factor de transcripción oncogénico | |
| DMAP1 | correpresor transcripcional | |
| hSNF2H | proteína implicada en los reordenamientos de la cromatina | |
| PCNA | factor de replicación del ADN | |
| MBD2 | unión a sitios
CpG metilados | |
| MBD3 | mismo | |
| MeCP2 | mismo | |
| HP1β | proteína heterocromatina _ | |
| ARN polimerasa II | ARN polimerasa II | |
| DNMT3a | DNMT1 | mantenimiento de la metilación del ADN |
| DNMT3L | represor transcripcional | |
| HDAC1 | histona desacetilasa | |
| SUV39H1 | histona metiltransferasa H3 (Lys9) | |
| LMP-RAR | factor de transcripción oncogénico | |
| RP58 | correpresor transcripcional | |
| HP1β | proteína heterocromatina _ | |
| SUMO-1 | proteína similar a la ubiquitina | |
| DNMT3b | DNMT1 | mantenimiento de la metilación del ADN |
| DNMT3L | represor transcripcional | |
| HDAC1 | histona desacetilasa | |
| SUMO-1 | proteína similar a la ubiquitina | |
| DNMT3L | DNMT3a | metilación del ADN de novo |
| DNMT3b | mismo | |
| HDAC1 | histona desacetilasa | |
| CMT3 | homólogo HP1 | proteína heterocromatina _ |
El dominio N-terminal contiene varias secuencias específicas, como una señal de localización nuclear ( NLS ), un motivo de unión a Zn rico en cisteína y una secuencia especial que dirige la metilasa a la región de replicación del ADN (TRF, proteína dirigida a focos de replicación del ADN ). ). La enzima se localiza en las áreas de replicación del ADN durante la fase S del ciclo celular y, una vez completada, se difunde en el nucleoplasma . Además, el dominio N-terminal de la enzima DNMT1 contiene una secuencia homóloga al represor transcripcional HRX, con la ayuda de la cual la ADN metilasa puede asociarse con la histona desacetilasa in vivo .
La enzima DNMT1 humana no es fundamentalmente diferente de la de ratón.
La enzima DNMT1 tiene varias isoformas: DNMT1 somática, una variante intermedia (DNMT1b) y una isoforma específica del ovocito (DNMT1o). La DNMT1o se sintetiza y acumula en el citoplasma de los ovocitos y luego, durante el desarrollo embrionario temprano , se transporta al núcleo celular (la DNMT1 somática se localiza constantemente en el núcleo).
La enzima puede exhibir una actividad de metilación anormal, en particular mediante la metilación de pares CpG en la región de un bucle de ADN monocatenario que ya contiene sitios CpG metilados. .
La inactivación de la enzima DNMT1 de ratón conduce a una disminución significativa (hasta un 70 %) en la metilación del genoma y la muerte de los embriones en desarrollo en los días 10 a 11 del desarrollo. El nivel restante del 30 % y la capacidad de las células madre para metilar el ADN retroviral de novo lo proporcionan otras ADN metiltransferasas.
La ADN metiltransferasa DNMT2 consta de 415 residuos de aminoácidos y no contiene un dominio regulador N-terminal. La inactivación del gen dnmt2 en células madre de ratón no afectó su capacidad para mantener el patrón de metilación del genoma y la metilación de novo . La secuencia de aminoácidos de la enzima es similar a las secuencias de ADN metilasas cortas en plantas, hongos y procariotas. En 2006 Goll et al. han demostrado que la enzima produce la metilación del ARNt de Asp en la citosina-38 tanto in vivo como in vitro , y no metila el ADN. Para reflejar la función de la enzima en el nombre, se decidió cambiarle el nombre a TRDMT1 ( tRNA metiltransferasa de ácido aspártico 1 , metiltransferasa transportadora de ácido aspártico tRNA ).
Las ADN metiltransferasas DNMT3a y DNMT3b metilan los sitios CpG hemimetilados y no metilados a la misma velocidad. DNMT3a y DNMT3b humanos contienen 908 y 859 residuos de aminoácidos, respectivamente; el gen dnmt3b también puede codificar polipéptidos más pequeños debido al corte y empalme alternativo . Los genes dnmt3a y dnmt3b se expresan activamente en células madre embrionarias indiferenciadas, mientras que su nivel de expresión es muy bajo en células diferenciadas. La inactivación de estos genes en ratones condujo a la muerte de los individuos, en promedio, a las cuatro semanas de edad.
DNMT3a metila los sitios CpG más activamente que CpA, CpT y CpC. DNMT3a metila los sitios CpG mucho más lentamente que DNMT1 pero más rápido que DNMT3b. Aunque las funciones de las enzimas DNMT3a y DNMT3b se superponen en gran medida, también existen diferencias. Por lo tanto, DNMT3b es responsable de la metilación de las repeticiones satelitales en la región del centrómero enlazador, y la mutación del gen dnmt3b en humanos conduce al síndrome ICF ( inestabilidad cenromérica de inmunodeficiencia, inestabilidad del centrómero de inmunodeficiencia, anomalías faciales). El síndrome ICF es un trastorno genético autosómico recesivo raro que se caracteriza por defectos en el sistema inmunitario y una estructura facial anormal. El síndrome se asocia con inestabilidad de la heterocromatina centromérica. Al mismo tiempo, los componentes principales de la heterocromatina, las regiones satélite del ADN II y el ADN III, están submetilados.
DNMT3L contiene un motivo de ADN metiltransferasa y es esencial para el efecto de la impronta genómica materna , mientras permanece catalíticamente inactivo (debido a la ausencia de algunos sitios clave necesarios para la catálisis ). DNMT3L se expresa durante la gametogénesis , que es cuando se produce la impronta genómica. La ausencia de DNMT3L conduce a la expresión bialélica de genes que normalmente no se caracterizan por la expresión del alelo materno . DNMT3L interactúa con DNMT3a y DNMT3b en el núcleo celular. Aunque DNMT3L no puede llevar a cabo la metilación, la proteína puede estar involucrada en la represión transcripcional (en asociación con la histona desacetilasa).
Se han encontrado tres familias de ADN metiltransferasas en plantas.
Las metilasas de ADN de esta familia son similares a las enzimas de la familia DNMT1 de mamíferos. En Arabidopsis thaliana ( Tahl 's coli ) se encontraron 2 de estas ADN metiltransferasas: METI y METII. Estas proteínas difieren de la DNMT1 de ratón en la estructura del dominio N-terminal. Se han encontrado metilasas homólogas a Arabidopsis thaliana METI en zanahorias y arroz .
Esta familia también incluye el gen NtMETI del tabaco (codifica una proteína de 175 kDa, 1556 residuos de aminoácidos) y el gen de la ADN metiltransferasa del guisante (codifica una proteína de 174 kDa, 1554 residuos de aminoácidos). Estas enzimas son más activas en las células meristemáticas vegetales .
La familia incluye metilasas de ADN polimórficas. Descubierto por primera vez en Arabidopsis thaliana . Entre las secciones I y IV, las moléculas de estas enzimas contienen un cromodominio de 80 residuos de aminoácidos, que es responsable de la interacción con proteínas específicas de la cromatina y con la membrana nuclear . Arabidopsis thaliana CMT3 y las proteínas Zmet2 de maíz llevan a cabo la metilación del ADN de mantenimiento en CpNpG y sitios asimétricos. Apagar su actividad conduce a la reactivación de los transposones endógenos .
Las cromometilasas son características solo para las plantas.
Familia de metilasas de ADN en las que los motivos conservados se reorganizan y organizan en el siguiente orden: VI-IX-X-I-II-III-IV-V. De ahí el nombre de la familia: metilasas reorganizadas por dominio , DRM. Los genes de estas enzimas se han encontrado en Arabidopsis thaliana , maíz y soja . A pesar de que los motivos funcionales están mezclados, la molécula forma una estructura tridimensional similar a la ADN metiltransferasa procariótica HhaI. El dominio N-terminal contiene un sitio de unión a ubiquitina, lo que hace posible la ubiquitinación de estas enzimas. Funcionalmente, estas ADN metiltransferasas son similares a la familia DNMT3 de mamíferos; en particular, también pueden llevar a cabo de manera eficiente la metilación del ADN de novo en sitios asimétricos.
Existen otras metiltransferasas de ADN vegetal, como la METIII de Arabidopsis thaliana , que carece de un dominio N-terminal.
A diferencia de los animales, la inactivación de las ADN metiltransferasas en las plantas no produce un efecto letal, pero también provoca anomalías en el desarrollo.
El ascomiceto Ascobolus tiene 2 genes: MASCI y MASK2 . El primero codifica una proteína con un peso molecular de 61,5 kDa, que consta de 537 residuos de aminoácidos. . Contiene 10 motivos conservados característicos de las citosina (C5) metiltransferasas, pero se distingue por un TRD más corto entre el motivo VIII y IX y un dominio N-terminal que no es homólogo al de DNMT1. Una mutación en el gen MASCI no afecta el mantenimiento de la metilación del ADN, pero interrumpe la metilación de novo de las repeticiones del ADN y conduce a la esterilidad de las cepas homocigóticas para esta mutación. El gen MASK2 Ascobolus pertenece a la familia DNMT1.
La desactivación de ambos genes no conduce a la interrupción de la metilación del mantenimiento del ADN de Ascobolus , lo que indica la presencia de al menos un gen más de la ADN metiltransferasa. .
Neurospora crassa tiene un gen de ADN metiltransferasa, DIM-2 . La proteína DIM-2 es responsable de la metilación de todo el genoma, y su inactivación conduce a la desmetilación completa del ADN de Neurospora crassa . La proteína consta de 1454 residuos de aminoácidos y pertenece a la familia DNMT1. Las violaciones de la expresión de DIM-2 no conducen a anomalías notables en el desarrollo del hongo.
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