メチルトランスフェラーゼ

メチルトランスフェラーゼは、基質をメチル化する酵素の大きなグループですが、構造的特徴に基づいていくつかのサブクラスに分類できます。最も一般的なメチルトランスフェラーゼのクラスはクラス I で、すべてS -アデノシルメチオニン(SAM)を結合するためのロスマンフォールドが含まれています。クラス II メチルトランスフェラーゼには SET ドメインが含まれており、これは SET ドメインヒストンメチルトランスフェラーゼによって例示されます。また、クラス III メチルトランスフェラーゼは膜結合型です。^[1]メチルトランスフェラーゼは、メチル基転移反応で異なる基質を利用する異なるタイプに分類することもできます。これらのタイプには、タンパク質メチルトランスフェラーゼ、DNA/RNA メチルトランスフェラーゼ、天然物メチルトランスフェラーゼ、および SAM 非依存性メチルトランスフェラーゼが含まれます。SAM はメチルトランスフェラーゼの古典的なメチル供与体ですが、他のメチル供与体の例も自然界に見られます。メチル基転移の一般的なメカニズムは、メチオニン硫黄が脱離基として機能し、それに結合したメチル基が求電子剤として機能してメチル基を酵素基質に転移させるS _N 2のような求核攻撃です。このプロセス中に、SAM はS -アデノシルホモシステイン(SAH) に変換されます。SAM-メチル結合の切断と基質-メチル結合の形成は、ほぼ同時に発生します。これらの酵素反応は多くの経路で見られ、遺伝病、癌、代謝性疾患に関係しています。メチル基転移のもう 1 つのタイプは、ラジカル S-アデノシルメチオニン (SAM) で、これは一次代謝物、タンパク質、脂質、RNA 内の不活性炭素原子のメチル化です。

メチル化は、他のエピジェネティック修飾と同様に、転写、遺伝子安定性、親の刷り込みに影響を及ぼします。^{[2]メチル化は}クロマチン構造に直接影響を及ぼし、遺伝子転写を調整したり、遺伝子自体に変異を起こさずに遺伝子を完全にサイレンシングまたは活性化したりすることができます。この遺伝子制御のメカニズムは複雑ですが、DNAの低メチル化と高メチル化は多くの疾患に関係しています。

タンパク質のメチル化は、タンパク質間相互作用、タンパク質-DNA相互作用、およびタンパク質の活性化 において調節的な役割を果たします。

例: 重要な有糸分裂タンパク質である RCC1 は、染色体のセントロメアと相互作用できるようにメチル化されています。これは、タンパク質間相互作用の調節の一例です。メチル化は、ヒストンタンパク質H2AおよびH2Bへの RCC1 の結合を調節します。RCC1 とクロマチンの相互作用も、タンパク質と DNA の相互作用の一例です。このタンパク質がメチル化されると、RCC1 の別のドメインが DNA と直接相互作用します。RCC1 がメチル化されていない場合、分裂細胞は複数の紡錘極を持ち、通常は生存できません。

p53 はリジン上でメチル化されており、DNA 損傷応答におけるその活性化と他のタンパク質との相互作用を制御します。これは、タンパク質間相互作用とタンパク質活性化の制御の一例です。p53 は、 DNA 修復経路を活性化し、アポトーシスを開始し、細胞周期を一時停止する既知の腫瘍抑制因子です。全体として、p53 は DNA の変異に応答し、細胞にそれらを修復するか、これらの変異が癌に寄与しないように細胞死を開始するように信号を送ります。

NF-κB（炎症に関与するタンパク質）はメチルトランスフェラーゼSETD6の既知のメチル化標的であり、SETD6はNF-κBのサブユニットの1つであるRelAを阻害することでNF-κBシグナル伝達をオフにします。これにより転写活性化と炎症反応が減少し、NF-κBのメチル化は、この経路を介した細胞シグナル伝達を減少させる制御プロセスになります。^[3]

天然物メチルトランスフェラーゼは、補因子、シグナル伝達分子、代謝産物の利用可能性など、代謝経路へのさまざまな入力を提供します。これにより、タンパク質の活性を制御してさまざまな細胞経路が調節されます。

ヒストンメチルトランスフェラーゼは、エピジェネティックレベルでの遺伝子制御に極めて重要である。これらは主に、ε窒素上のリジンとヒストン尾部のアルギニン グアニジン基を修飾する。リジンメチルトランスフェラーゼとアルギニンメチルトランスフェラーゼはそれぞれ異なるクラスの酵素であるが、どちらもヒストン基質のメチル供与体としてSAMに結合します。リジンアミノ酸は1つ、2つ、または3つのメチル基で修飾することができ、アルギニンアミノ酸は1つまたは2つのメチル基で修飾することができる。これにより、正電荷の強度と残基の疎水性が増し、他のタンパク質がメチルマークを認識できるようになります。この修飾の効果は、ヒストン尾部の修飾の位置と周囲の他のヒストン修飾によって異なります。修飾の位置は、DNA配列、小さな非コードRNA、およびDNA自体のメチル化によって部分的に決定できます。脊椎動物では、メチル化されるのはヒストンH3またはH4が最も一般的です。修飾の前後で遺伝子の転写が増加または減少する可能性があります。転写の増加はクロマチン凝縮の減少の結果であり、転写の減少はクロマチン凝縮の増加の結果です。^[4]ヒストンのメチルマークは、クロマチンをさらに修飾できる他のタンパク質をリクルートするための場所として機能することで、これらの変化に寄与します。^[5]

N-アルファメチルトランスフェラーゼは、SAMからタンパク質標的のN末端窒素にメチル基を転移する。N末端メチオニンは最初に別の酵素によって切断され、X-プロリン-リジンコンセンサス配列がメチルトランスフェラーゼによって認識される。すべての既知の基質について、Xアミノ酸はアラニン、セリン、またはプロリンである。この反応により、メチル化タンパク質とSAHが生じる。ヒトにおけるこれらのメチルトランスフェラーゼの既知の標的には、RCC-1（核輸送タンパク質の調節因子）と網膜芽細胞腫タンパク質（過剰な細胞分裂を阻害する腫瘍抑制タンパク質）がある。RCC-1のメチル化は、核膜が存在しない場合に一部の核タンパク質の局在を調整するため、有糸分裂において特に重要である。RCC-1がメチル化されていない場合、余分な紡錘体極の形成に続いて細胞分裂が異常になる。^[6]網膜芽細胞腫タンパク質のN末端メチル化の機能は不明である。

遺伝子調節の重要な要素であるDNAメチル化は、主に塩基シトシンの5番目の炭素で起こり、5'メチルシトシンを形成します（左図参照）。^[7]メチル化は、DNMT1、DNMT2（DNAではなくtRNAをメチル化する機能を反映してTRDMT1に改名）、DNMT3などのDNAメチルトランスフェラーゼ酵素によって触媒されるエピジェネティックな修飾です。これらの酵素は、S-アデノシルメチオニンをメチル供与体として使用し、3つの形式間で高度に保存された構造的特徴がいくつか含まれています。これには、S-アデノシルメチオニン結合部位、反応機構に重要なチオレートアニオンを形成する近接するプロリン-システインペア、およびシトシン基質結合ポケットが含まれます。DNAメチルトランスフェラーゼの多くの特徴は、細菌から哺乳類まで、多くの生物クラスにわたって高度に保存されています。特定の遺伝子の発現を制御することに加えて、メチル化されたDNA認識部位にのみ結合するさまざまなタンパク質複合体があり、その多くは人間の健康に影響を及ぼします。初期のDNAメチルトランスフェラーゼの多くは、多くの原始RNA種を保護するためにRNAワールドで活性化するはずだったRNAメチルトランスフェラーゼに由来すると考えられてきました。 ^{[8] RNAメチル化は、} mRNA、rRNA、tRNA、snoRNA 、 snRNA、miRNA、tmRNA、およびウイルスRNA種など、 さまざまな種類のRNA種で観察されています。特定のRNAメチルトランスフェラーゼは、細胞の必要性と環境に応じてRNA種にこれらをマークするために細胞によって使用され、分子エピジェネティクスと呼ばれる分野の一部を形成します。2' -O-メチル化、m6Aメチル化、m1Gメチル化、およびm5Cは、さまざまな種類のRNAで観察される最も一般的なメチル化マークです。

6Aは以下のような化学反応を触媒する酵素である。^[9]

S-アデノシル-L-メチオニン + DNA アデニン S-アデノシル-L-ホモシステイン + DNA 6-メチルアミノプリン

m6Aは2015年まで主に原核生物で発見されていましたが、その後一部の真核生物でも特定されました。m6AメチルトランスフェラーゼはDNAのC-6位のアミノ基をメチル化し、宿主システムが制限酵素を介して自身のゲノムを消化するのを防ぎます。^[10]

m5Cは遺伝子転写を制御する役割を果たしている。m5CトランスフェラーゼはDNA中のシトシンのC-5位にC5-メチルシトシンを生成する酵素であり、ほとんどの植物と一部の真核生物に見られる。^[11]

天然物メチルトランスフェラーゼ (NPMT) は、天然に生成される小分子にメチル基を付加する多様な酵素群です。多くのメチルトランスフェラーゼと同様に、SAM はメチル供与体として利用され、SAH が生成されます。メチル基は S、N、O、または C 原子に付加され、これらの原子のどれが修飾されるかによって分類され、O-メチルトランスフェラーゼが最大のクラスを占めます。これらの反応のメチル化生成物は、補因子、色素、シグナル伝達化合物、代謝物など、さまざまな機能を果たします。NPMT は、これらの化合物の反応性と可用性を変更することで、調節の役割を果たすことができます。これらの酵素は、種またはより小さな種のグループで特殊な経路に小分子を提供するというより具体的な機能を果たすため、異なる種間で高度に保存されていません。この多様性を反映して、一般的な酸塩基触媒、金属ベースの触媒、触媒アミノ酸を必要としない近接効果と脱溶媒和効果など、さまざまな触媒戦略があります。 NPMTはメチルトランスフェラーゼの中で最も機能的に多様なクラスである。^[12]

ヒトにおけるこの酵素クラスの重要な例としては、ノルエピネフリンをエピネフリンに変換するフェニルエタノールアミンN-メチルトランスフェラーゼ（PNMT ）^[14]や、ヒスタミン代謝の過程でヒスタミンをメチル化するヒスタミンN-メチルトランスフェラーゼ（HNMT）^{[15]などがあげられる。}カテコール-O-メチルトランスフェラーゼ（COMT）は、ドーパミン、エピネフリン、ノルエピネフリンを含むカテコールアミンと呼ばれる分子のクラスを分解する。 ^[16]

メタノール、メチルテトラヒドロ葉酸、モノメチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、メタンチオール、メチルテトラヒドロメタノプテリン、クロロメタンはすべて、生物学ではメチル基供与体として見られ、典型的には補因子 ビタミンB12を使用する酵素反応で見られる。^{[17]これらの基質は、}メチオニン生合成、メタン生成、酢酸生成などのメチル基転移経路に寄与する。

異なるタンパク質構造と触媒メカニズムに基づき、ラジカル SAM (RS) メチラーゼにはクラス A、B、C の 3 種類があります。クラス A RS メチラーゼは 4 つの酵素の中で最も特徴が明らかで、RlmN と Cfr の両方に関連しています。RlmN は細菌に遍在し、翻訳の忠実性を高め、23 S rRNA のアデノシン 2503 (A2503) の C2 とアデノシン (A37) の C2 のメチル化を触媒します。一方、Cfr は A2503 の C8 のメチル化も触媒し、C2 のメチル化も触媒します。^[18]クラスBは現在、ラジカルSAMメチラーゼの最大のクラスであり、sp 2混成炭素原子とsp 3混成炭素原子の両方を異なる基質セットでメチル化できます。一方、sp 2混成炭素原子のみを触媒するクラスAはメチル化できません。クラスBを他のメチラーゼと区別する主な違いは、RSドメインに結合する追加のN末端コバラミン結合ドメインです。^{[19]クラスCメチラーゼは、RS酵素であるコプロポルフィリノーゲンIIIオキシダーゼ（HemN）と相同配列を持ち、これも}sp 2混成炭素中心のメチル化を触媒しますが、クラスAのメカニズムでメチル化に必要な2つのシステインが欠けています。^[18]

遺伝子発現や機能を制御するあらゆる生物学的プロセスと同様に、異常な DNA メチル化はICF、レット症候群、脆弱X症候群などの遺伝性疾患に関連しています。^[2]がん細胞は一般に DNA メチル化活性が低いのが典型的ですが、正常細胞ではメチル化されていない部位で過剰メチル化が見られることが多く、この過剰メチル化は腫瘍抑制遺伝子を不活性化する方法として機能することがよくあります。全体的な DNA メチルトランスフェラーゼ活性の阻害が治療の選択肢として提案されていますが、シトシン基質の類似体である DNMT 阻害剤はシトシンとの類似性のために非常に毒性が高いことがわかっています (右図を参照)。このヌクレオチドとの類似性により、阻害剤がDNA 翻訳に組み込まれ、機能しない DNA が合成されます。

抗生物質リネゾリドのリボソームRNA結合部位を変化させるメチラーゼは、リボソームRNAに作用する他の抗生物質に対する交差耐性を引き起こす。この遺伝子を伝達できるプラスミドベクターは、潜在的に危険な交差耐性の原因となる。^[20]

疾患に関連するメチルトランスフェラーゼ酵素の例:

• チオプリンメチルトランスフェラーゼ：この遺伝子の欠陥は、化学療法や免疫抑制療法で使用される薬剤であるチオプリン化合物の毒性蓄積を引き起こす。
• メチオニン合成酵素：ビタミンB12欠乏によって引き起こされる悪性貧血は、メチオニン合成酵素の補因子の欠乏によって引き起こされます。

最近の研究では、天然抗癌剤のメチル化に関与するメチルトランスフェラーゼが、メチルの代わりに代替アルキル基を有するS-アデノシルメチオニン（SAM）類似体を使用することが明らかになりました。創薬および医薬品開発の文脈で、異なるアルキル化されたSAM類似体を生成および利用するための容易な化学酵素プラットフォームの開発は、アルキルランダム化として知られています。^[21]

ヒト細胞では、m5Cが癌の異常な腫瘍細胞と関連していることがわかった。^[22] m5Cの役割と潜在的な用途には、癌における損傷したDNAの過剰メチル化と低メチル化の両方のバランスをとることが含まれる。両方のタイプの癌細胞（過剰メチル化/低メチル化）のm5C量と癌の環境を変化させて、腫瘍細胞を阻害するのと同等のポイントに到達することにより、DNAのエピジェネティック修復を適用することができる。^[23]

例:

• カテコール-O-メチルトランスフェラーゼ
• DNAメチルトランスフェラーゼ
• ヒストンメチルトランスフェラーゼ
• 5-メチルテトラヒドロ葉酸ホモシステインメチルトランスフェラーゼ
• O-メチルトランスフェラーゼ
• メチオニン合成酵素
• コリノイド鉄硫黄タンパク質

• 米国国立医学図書館の医学件名標目(MeSH)におけるメチルトランスフェラーゼ
• DNAメチルトランスフェラーゼの3D構造
• 新しいメチルトランスフェラーゼ：Flintbox で紹介された 7SK snRNA メチルリン酸キャッピング酵素
• Nature Scitable の「遺伝子発現におけるメチル化の役割」
• Psychology Today の「栄養とうつ病：栄養、メチル化、うつ病」
• 「DNA メチル化 - DNA メチル化とは何か?」News-Medical.net より
• 「ヒストンリジンメチル化」 セルシグナリングテクノロジーによるヒストンメチルトランスフェラーゼに関わる遺伝経路