Метилтрансфераза, регулируемая клеточным циклом - Cell cycle regulated Methyltransferase

Рентгеновская кристаллическая структура CcrM Caulobacter crescentus показывает гомодимер CcrM в комплексе с двунитевой ДНК. Белковые мономеры показаны синим и зеленым цветом, а ДНК - коричневым. Основания ДНК в сайте узнавания GANTC показаны с разрешением по всем атомам.

CcrM сирота ДНК-метилтрансфераза, который участвует в управлении экспрессия гена в большинстве Alphaproteobacteria. Этот фермент модифицирует ДНК, катализируя перенос метильная группа от S-аденозил-L-метионин подложки в положение N6 аденин основание в последовательности 5'-GANTC-3 'с высокой специфичностью.[1] В Caulobacter crescentus Ccrm продуцируется в конце цикла репликации, когда сайты узнавания Ccrm гемиметилируются, быстро метилируя ДНК. CcrM важен для других Alphaproteobacteria, но его роль еще не определена. CcrM - это высокоспецифичная метилтрансфераза с новым механизмом распознавания ДНК.[нужна цитата ]

Роль CcrM в регуляции клеточного цикла

Метилирование - это эпигенетическая модификация, которая у эукариот регулирует такие процессы, как дифференцировка клеток и эмбриогенез,[2] в то время как у прокариот может играть роль в самопознании, защищая ДНК от расщепления системой рестрикционных эндонуклеаз,[3] или для генной регуляции. Первая функция контролируется системой рестрикционного метилирования, а вторая - орфанными МТазами, как Плотина и CcrM.[4]

Роль CcrM была охарактеризована в морском модельном организме. Caulobacter crescentus, который подходит для изучения клеточного цикла и эпигенетики, поскольку он асимметрично делится, образуя различное потомство, стеблевую и роевую клетку, с разными фенотипами и регуляцией генов. Клетка swarmer имеет единственный жгутик и полярные пили и характеризуется своей подвижностью, тогда как клетка, расположенная в стопке, имеет ножку и прикреплена к субстрату. Сложенная ячейка сразу входит в S-фаза, в то время как роевая ячейка остается в G1-фаза и будет дифференцироваться в уложенную ячейку перед тем, как снова войти в S-фазу.[5]

Сложенная в стопку клетка в S-фазе будет реплицировать свою ДНК полуконсервативным способом, образуя две гемиметилированные двойные цепи ДНК, которые будут быстро метилироваться метилтрансферазой CcrM, которая продуцируется только в конце S-фазы. Фермент будет метилировать более 4 тысяч сайтов 5'-GANTC-3 'примерно за 20 минут, а затем он будет разлагаться под действием LON протеаза.[6] Это быстрое метилирование играет важную роль в контроле транскрипции нескольких генов и контролирует дифференцировку клеток. Экспрессия CcrM регулируется главным регулятором CtrA, и, кроме того, различные сайты метилирования сайтов 5'-GANTC-3 'регулируют экспрессию CcrM, которая будет происходить только в конце S-фазы, когда эти сайты гемиметилированы. В этом процессе CtrA регулирует экспрессию CcrM и более 1000 генов в предделительском состоянии,[7] и SciP предотвращает активацию транскрипции CcrM в нерепликативных клетках.

Роль CcrM в Alphaproteobacteria

Орфанные МТазы распространены у бактерий и архей.[8] CcrM находится почти в каждой группе Alphaproteobacteria, за исключением Риккетсиалес и Магнитококки, и гомологи можно найти вЭпсилонпротеобактерии и Гаммапротеобактерии.[9] Alphaproteobacteria представляют собой организмы с разными стадиями жизни, от свободных до связанных с субстратом, некоторые из них являются внутриклеточными патогенами растений, животных и даже человека,[10] в этих группах CcrMs д. играть важную роль в прогрессии клеточного цикла.[11]

Было показано, что неконтролируемая регуляция CcrM вызывает серьезные нарушения регуляции клеточного цикла и дифференцировки у различных Alphaproteobacteria; C. crescentus , растение-симбионт Sinorhizobium meliloti[12] и в человеческом патогене Бруцелла абортус.[13] Также доказано, что ген CcrM необходим для жизнеспособности различных Alphaproteobacteria.[10]

Структура и механизм распознавания ДНК

CcrM представляет собой ДНК-метилтрансферазу типа II, которая переносит метильную группу от метильного донора SAM к N6 аденина в сайтах узнавания 5'-GANTC-3 'гемиметилированной ДНК. Основываясь на порядке консервативных мотивов, которые образуют связывание SAM, активного сайта и целевого домена узнавания в последовательности CcrM, его можно классифицировать как метилтрансферазу аденин N6 β-класса.[14] Гомологи CcrM у Alphaproteobacteria имеют С-концевой домен из 80 остатков,[9] с плохо охарактеризованной функцией.[15]

CcrM характеризуется высокой степенью различения последовательностей, демонстрируя очень высокую специфичность для сайтов GANTC по сравнению с сайтами AANTC, будучи способным распознавать и метилировать эту последовательность как в двухцепочечной, так и в одноцепочечной ДНК.[1] CcrM в комплексе со структурой дцДНК был разрешен, что показало, что фермент представляет новый механизм взаимодействия с ДНК, открывая пузырек в сайте узнавания ДНК (согласованный механизм метилтрансфераз основан на перевороте основания-мишени), фермент взаимодействует с ДНК образуя гомодимер с дифференциальными мономерными взаимодействиями.[16]

CcrM - это высокоэффективный фермент, способный метилировать большое количество сайтов 5'-GANTC-3 'за короткое время, однако, если фермент является процессивным (фермент связывается с ДНК и метилирует несколько сайтов метилирования перед диссоциацией) или дистрибутивным ( фермент диссоциирует от ДНК после каждого метилирования) это все еще обсуждается. Первые отчеты указали на второй случай,[17] однако более поздняя характеристика CcrM указывает на то, что это процессивный фермент.[18]

Рекомендации

  1. ^ а б Райх, Норберт О .; Черт, Эрик; Курник, Мартин; Патхури, Сарат; Вудкок, Клейтон Б. (07.12.2018). «Высокоспецифичная метилтрансфераза, регулируемая клеточным циклом, из Caulobacter crescentus опирается на новый механизм распознавания ДНК». Журнал биологической химии. 293 (49): 19038–19046. Дои:10.1074 / jbc.RA118.005212. ISSN  0021-9258. ЧВК  6295719. PMID  30323065.
  2. ^ Шубелер, Дирк (январь 2015 г.). «Функция и информативность метилирования ДНК». Природа. 517 (7534): 321–326. Дои:10.1038 / природа14192. ISSN  1476-4687. PMID  25592537.
  3. ^ Васу, К .; Нагараджа, В. (2013-03-01). «Разнообразные функции систем ограничения-модификации в дополнение к защите сотовой связи». Обзоры микробиологии и молекулярной биологии. 77 (1): 53–72. Дои:10.1128 / MMBR.00044-12. ISSN  1092-2172. ЧВК  3591985. PMID  23471617.
  4. ^ Адхикари, сатиш; Кертис, Патрик Д. (01.09.2016). «ДНК-метилтрансферазы и эпигенетическая регуляция у бактерий». Обзор микробиологии FEMS. 40 (5): 575–591. Дои:10.1093 / femsre / fuw023. ISSN  0168-6445. PMID  27476077.
  5. ^ Лауб, Майкл Т .; Шапиро, Люси; Макадамс, Харли Х. (декабрь 2007 г.). «Системная биология Caulobacter». Ежегодный обзор генетики. 41 (1): 429–441. Дои:10.1146 / annurev.genet.41.110306.130346. ISSN  0066-4197. PMID  18076330.
  6. ^ Collier, J .; McAdams, H.H .; Шапиро, Л. (2007-10-23). «Храповик метилирования ДНК управляет прохождением цикла бактериальных клеток». Труды Национальной академии наук. 104 (43): 17111–17116. Дои:10.1073 / pnas.0708112104. ISSN  0027-8424. ЧВК  2040471. PMID  17942674.
  7. ^ Кольер, Жюстин (апрель 2016 г.). «Контроль клеточного цикла у Alphaproteobacteria». Текущее мнение в микробиологии. 30: 107–113. Дои:10.1016 / j.mib.2016.01.010. PMID  26871482.
  8. ^ Сотрудники, The PLOS Genetics (2016-05-12). "Поправка: эпигеномный ландшафт прокариот". PLOS Genetics. 12 (5): e1006064. Дои:10.1371 / journal.pgen.1006064. ISSN  1553-7404. ЧВК  4865105. PMID  27171000.
  9. ^ а б Гонсалес, Диего; Коздон, Дженнифер Б .; McAdams, Harley H .; Шапиро, Люси; Кольер, Жюстин (апрель 2014 г.). «Функции метилирования ДНК CcrM в Caulobacter crescentus: глобальный подход». Исследования нуклеиновых кислот. 42 (6): 3720–3735. Дои:10.1093 / нар / gkt1352. ISSN  1362-4962. ЧВК  3973325. PMID  24398711.
  10. ^ а б Муаммин, Аннабель; Кольер, Жюстин (октябрь 2018 г.). «Влияние метилирования ДНК на Alphaproteobacteria». Молекулярная микробиология. 110 (1): 1–10. Дои:10.1111 / мм. 14079. ISSN  0950-382X. PMID  29995343.
  11. ^ Кольер, Жюстин (декабрь 2009 г.). «Эпигенетическая регуляция клеточного цикла бактерий». Текущее мнение в микробиологии. 12 (6): 722–729. Дои:10.1016 / j.mib.2009.08.005. PMID  19783470.
  12. ^ Райт, Р. Стивенс, К; Шапиро, Л. (сентябрь 1997 г.). «ДНК-метилтрансфераза CcrM широко распространена в альфа-подразделении протеобактерий, и ее основные функции сохранены у Rhizobium meliloti и Caulobacter crescentus». Журнал бактериологии. 179 (18): 5869–5877. Дои:10.1128 / jb.179.18.5869-5877.1997. ISSN  0021-9193. ЧВК  179479. PMID  9294447.
  13. ^ Робертсон, Грегори Т .; Райзенауэр, Энн; Райт, Рэйчел; Дженсен, Расмус Б .; Дженсен, Аллен; Шапиро, Люсиль; Руп, Р. Мартин (2000-06-15). «ДНК-метилтрансфераза Brucella abortus CcrM имеет важное значение для жизнеспособности, а ее сверхэкспрессия снижает внутриклеточную репликацию в макрофагах мышей». Журнал бактериологии. 182 (12): 3482–3489. Дои:10.1128 / JB.182.12.3482-3489.2000. ISSN  0021-9193. ЧВК  101938. PMID  10852881.
  14. ^ Мерфи, Джеймс; Махони, Дженнифер; Эйнсворт, Стюарт; Наута, Арьен; ван Зиндерен, Доув (15 декабря 2013 г.). "Бактериофаговые орфанные ДНК-метилтрансферазы: понимание их бактериального происхождения, функции и возникновения". Прикладная и экологическая микробиология. 79 (24): 7547–7555. Дои:10.1128 / AEM.02229-13. ISSN  0099-2240. ЧВК  3837797. PMID  24123737.
  15. ^ Maier, Johannes A.H .; Албу, Разван Ф .; Jurkowski, Tomasz P .; Ельч, Альберт (декабрь 2015 г.). «Исследование C-концевого домена бактериальной ДНК- (аденин N6) -метилтрансферазы CcrM». Биохимия. 119: 60–67. Дои:10.1016 / j.biochi.2015.10.011. PMID  26475175.
  16. ^ Хортон, Джон Р .; Вудкок, Клейтон Б.; Opot, Sifa B .; Райх, Норберт О .; Чжан, Син; Чэн, Сяодун (10.10.2019). «Регулируемая клеточным циклом ДНК-аденинметилтрансфераза CcrM открывает пузырек в своем сайте узнавания ДНК». Nature Communications. 10 (1): 4600. Дои:10.1038 / s41467-019-12498-7. ISSN  2041-1723. ЧВК  6787082. PMID  31601797.
  17. ^ Albu, R. F .; Юрковский, Т. П .; Ельч, А. (01.02.2012). «CcrM ДНК- (аденин-N6) -метилтрансфераза Caulobacter crescentus метилирует ДНК распределенным образом». Исследования нуклеиновых кислот. 40 (4): 1708–1716. Дои:10.1093 / nar / gkr768. ISSN  0305-1048. ЧВК  3287173. PMID  21926159.
  18. ^ Вудкок, Клейтон Б.; Якубов, Азиз Б .; Райх, Норберт О. (август 2017 г.). "Caulobacter crescentus ДНК-метилтрансфераза, регулируемая клеточным циклом, использует новый механизм распознавания субстрата". Биохимия. 56 (30): 3913–3922. Дои:10.1021 / acs.biochem.7b00378. ISSN  0006-2960. PMID  28661661.