タンパク質のメチル化

タンパク質のメチル化は、タンパク質へのメチル基の付加を特徴とする翻訳後修飾の一種である。これは、アルギニンおよびリジンの窒素含有側鎖で起こる可能性があるが、^{[1] [2]}、さまざまなタンパク質のアミノ末端およびカルボキシ末端でも起こる可能性がある。生物学では、メチルトランスフェラーゼがメチル化プロセスを触媒し、主にS-アデノシルメチオニンによって活性化される。タンパク質のメチル化はヒストンで最も研究されており、ヒストンメチルトランスフェラーゼによってS-アデノシルメチオニンからのメチル基の転移が触媒される。特定の残基がメチル化されたヒストンは、遺伝子発現を抑制または活性化するためにエピジェネティックに作用することができる。 ^{[3] [4]}

タンパク質の複数の部位がメチル化される可能性があります。N 末端メチル化やプレニルシステインメチル化などの一部のメチル化タイプでは追加の処理が必要ですが、アルギニンメチル化やリジンメチル化などの他のタイプのメチル化では前処理は必要ありません。

アルギニンは、1 回メチル化（モノメチル化アルギニン）または 2 回メチル化（ジメチル化アルギニン）される。アルギニン残基のメチル化は、3 つの異なるクラスのタンパク質アルギニンメチルトランスフェラーゼ（PRMT）によって触媒される。タイプ I PRMT（PRMT1、PRMT2、PRMT3、PRMT4、PRMT6、および PRMT8）は、2 つのメチル基を 1 つの末端窒素原子に結合し、非対称ジメチルアルギニン（N G、N G-ジメチルアルギニン）を生成する。対照的に、タイプ II PRMT（PRMT5 および PRMT9）は、各末端窒素に 1 つのメチル基を持つ対称ジメチルアルギニン（対称 N G、N' G-ジメチルアルギニン）の形成を触媒する。タイプ I および II PRMT はどちらも N G-モノメチルアルギニン中間体を生成する。唯一知られているタイプ III PRMT である PRMT7 は、モノメチル化アルギニンのみを生成する。^[5]

アルギニンメチル化は通常、「GAR モチーフ」と呼ばれるグリシンとアルギニンに富む領域で起こります。^[6]これは、これらの領域の柔軟性が高まり、PRMT 活性部位にアルギニンを挿入できるためと考えられます。ただし、非 GAR コンセンサス配列を持つ PRMT も存在します。^[5] PRMT は核と細胞質に存在します。タンパク質と核酸の相互作用において、アルギニン残基はリン酸骨格の重要な水素結合供与体であり、多くのアルギニンメチル化タンパク質が DNA または RNA と相互作用することがわかっています。^{[6] [7]}

ヒストンのアセチル化を促進する酵素^[要出典]やヒストン自体もアルギニンメチル化される可能性がある。アルギニンメチル化はタンパク質間の相互作用に影響を及ぼし、タンパク質輸送、シグナル伝達、転写調節など、さまざまな細胞プロセスに関与している。^[6]エピジェネティクスでは、ヒストン H3 と H4 のアルギニンメチル化は、よりアクセスしやすいクロマチン構造と関連しており、したがって転写レベルが上昇する。アルギニンメチル化を逆転させるアルギニン脱メチル化酵素の存在は議論の余地がある。^[5]

リシンはリシンメチルトランスフェラーゼ（PKMT）によって1回、2回、または3回メチル化される。^{[8]ほとんどのリシンメチルトランスフェラーゼは進化的に保存された}SETドメインを含み、これはS-アデノシルメチオニン依存性メチルトランスフェラーゼ活性を有するが、他のS-アデノシルメチオニン結合タンパク質とは構造的に異なる。リシンのメチル化はヒストンがタンパク質と相互作用する上で中心的な役割を果たす。^{[9]リシンのメチル化はリシン}脱メチル化酵素（PKDM）によって元に戻すことができる。 ^[8]

SET ドメインを含むタンパク質はそれぞれ異なる基質特異性を持っています。たとえば、SET1、SET7、MLL はヒストン H3 のリジン 4 をメチル化しますが、Suv39h1、ESET、G9a はヒストン H3 のリジン 9 を特異的にメチル化します。リジン 4 とリジン 9 のメチル化は相互に排他的であり、部位特異的メチル化のエピジェネティックな結果は正反対です。リジン 4 のメチル化は転写の活性状態と相関しますが、リジン 9 のメチル化は転写抑制とヘテロクロマチンと関連しています。ヒストン H3とヒストン H4の他のリジン残基も、特定の SET ドメインを含む酵素によるメチル化の重要な部位です。ヒストンはリジンメチルトランスフェラーゼの主な標的であるが、伸長因子1Aやカルシウム感知タンパク質カルモジュリンなど、他の細胞タンパク質もN-メチルリジン残基を運ぶ。^[9]

多くの真核生物タンパク質は、N末端が翻訳後修飾される。N末端修飾の一般的な形態は、N末端メチルトランスフェラーゼ（NTMT）によるN末端メチル化（Nt-メチル化）である。開始メチオニン（iMet）を除去した後にコンセンサスモチーフH ₂ N-X-Pro-Lys-（XはAla、Pro、またはSer）を含むタンパク質は、N末端α-アミノメチル化を受ける可能性がある。^[10]モノメチル化は、α-アミノ窒素の求核性および塩基性にわずかな影響を与える可能性があるのに対し、トリメチル化（プロリンの場合はジメチル化）は、求核性を消失させ、N末端アミノ基に永久的な正電荷をもたらす。生化学的観点からはアミンの脱メチル化は可能であるが、N末端脱メチル化酵素は現在まで報告されていないため、Nt-メチル化は不可逆的であると考えられている。^[10] ヒストン変異体CENP-AとCENP-Bは生体内でNtメチル化されていることがわかっている。^[10]

CAAX モチーフで終わる C 末端を持つ真核生物タンパク質は、多くの場合、一連の翻訳後修飾を受けます。CAAX テールの処理は 3 つのステップで行われます。まず、プレニル脂質アンカーがチオエステル結合を介してシステインに取り付けられます。次に、エンドプロテオリシスが起こり、タンパク質の最後の 3 つのアミノ酸が除去されて、プレニルシステイン α-COOH 基が露出します。最後に、露出したプレニルシステイン基がメチル化されます。この修飾の重要性は、マウス CAAX タンパク質のメチルトランスフェラーゼの標的破壊に見られます。イソプレニルシステインカルボキシルメチルトランスフェラーゼの喪失により、妊娠中期の致死がもたらされました。^[11]

プレニルシステインのメチル化の生物学的機能は、CAAXタンパク質が細胞内の膜表面へ標的化されるのを促進することである。プレニルシステインは脱メチル化することができ、この逆反応はイソプレニルシステインカルボキシルメチルエステラーゼによって触媒される。プレニルシステインがメチル化されたCAAXボックスを含むタンパク質には、Ras、GTP結合タンパク質、核ラミン、および特定のタンパク質キナーゼが含まれる。これらのタンパク質の多くは細胞シグナル伝達に関与しており、プレニルシステインのメチル化を利用して、それらが機能する細胞膜の細胞質表面に集中する。^[11]

C末端のメチル化はタンパク質の化学レパートリーを増加させることができ^[12]、タンパク質の機能に大きな影響を与えることが知られています。^[1]

真核細胞では、ホスファターゼがチロシン、セリン、スレオニンリン酸化タンパク質からリン酸基を除去する触媒作用をします。タンパク質ホスファターゼ2などの主要なセリン/スレオニンホスファターゼの触媒サブユニットは、C末端の可逆的メチル化によって共有結合的に修飾され、ロイシンカルボキシメチルエステルを形成します。CAAXモチーフのメチル化とは異なり、メチル化を促進するためにC末端の処理は必要ありません。このC末端メチル化イベントは、タンパク質間相互作用を刺激することで調節タンパク質の複合体へのリクルートメントを制御し、セリン-スレオニンホスファターゼ複合体の活性を間接的に制御します。^[13]メチル化は、ユニークなタンパク質ホスファターゼメチルトランスフェラーゼによって触媒されます。メチル基は、特定のタンパク質ホスファターゼメチルエステラーゼによって除去されます。これら2つの相反する酵素は、刺激に応じてセリン-スレオニンホスファターゼのメチル化を動的なプロセスにします。^[13]

損傷を受けたタンパク質にはイソアスパルチルが蓄積し、タンパク質の不安定化、生物活性の喪失、自己免疫反応の刺激を引き起こします。L-アスパルチル残基の加齢による自発的な分解により、スクシンイミジル中間体であるスクシンイミドラジカルが形成されます。これは自発的に加水分解されてL-アスパルチルに戻るか、より好ましい反応として異常なL-イソアスパルチルになります。L-イソアスパルチルをL-アスパルチルに戻すためのメチルトランスフェラーゼ依存性経路が存在します。L-イソアスパルチルの蓄積を防ぐため、この残基はタンパク質L-イソアスパルチルメチルトランスフェラーゼによってメチル化され、メチルエステルの形成を触媒し、今度はそれがスクシンイミジル中間体に戻ります。^[14] 機能喪失変異と機能獲得変異により、加齢に伴うプロセスにおけるL-イソアスパルチルO-メチルトランスフェラーゼの生物学的重要性が明らかになった。この酵素を欠損したマウスは致命的なてんかんにより若くして死亡するが、この酵素を過剰発現するように改変されたハエでは寿命が30%以上延びる。^[14]

リン酸化タンパク質と同様に、メチル化タンパク質に共通するテーマは、この修飾がタンパク質間相互作用の調節において果たす役割である。タンパク質のアルギニンメチル化は、メチル化の種類に応じて、タンパク質間相互作用を阻害することも促進することもできる。プロリンに富むモチーフに近接するアルギニン残基の非対称ジメチル化は、SH3ドメインへの結合を阻害することができる。^[15] 運動ニューロン生存タンパク質とsnRNPタンパク質SmD1、SmD3、およびSmB/B'との相互作用では逆の効果が見られ、snRNPタンパク質のアルギニン残基の対称ジメチル化によって結合が促進される。^[16]

メチル化依存性タンパク質間相互作用のよく特徴付けられた例としては、ヒストン H3の N 末端にあるSUV39H1によるリジン 9 の選択的メチル化が挙げられます。^[9]このリジン残基のジメチル化およびトリメチル化は、ヘテロクロマチンタンパク質 1 (HP1) の結合を促進します。HP1 と Suv39h1 が相互作用するため、HP1 のヒストン H3 への結合が維持され、クロマチンに沿って広がることさえ可能になると考えられています。HP1 タンパク質には、ヒストン H3 のリジン 9 とのメチル依存性相互作用を担うクロモドメインがあります。クロモドメインを含む追加のタンパク質が、HP1 と同じ部位、およびヒストン H3 とヒストン H4の他のリジンメチル化位置に結合する可能性があります。^[13]

C末端タンパク質のメチル化はタンパク質ホスファターゼの組み立てを制御する。タンパク質ホスファターゼ2A触媒サブユニットのメチル化は、制御Bサブユニットの結合を強化し、ホロ酵素の組み立てを促進する。^[13]