Die Methylierung beschreibt formell die Übertragung einer CH3 (Methyl)-Gruppe auf ein Schwefel-, Kohlenstoff-, Sauerstoff- oder Stickstoffatom eines Moleküls.
S-Adenosylmethionin (SAM) fungiert dabei als universeller Methylgruppen-Donor im menschlichen Körper. SAM selbst wird in zwei enzymatischen Schritten generiert: Zunächst wird Methionin aus Homocystein (Hcy) durch die Methionin-Synthase (EC 2.1.1.13), welche Methylcobalamin (Vitamin B12)-abhängig eine Methylgruppe auf das Schwefelatom der SH-Gruppe von Homocystein überträgt, gebildet; anschließend wird Methionin mit Hilfe der Methionin-Adenosyltransferase (EC 2.5.1.6) und Adenosintriphosphat (ATP) in SAM umgewandelt [19, 20]. Das gebildete SAM kann nun von sämtlichen Methyltransferasen verwendet werden, um Methylgruppen auf niedermolekulare Substanzen wie Neurotransmitter oder Energiestoffwechsel-Metaboliten und auf hochmolekulare Substanzen wie die Desoxyribonukleinsäure (DNA) und Proteine zu übertragen.
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Beispiele für Methylierungs-Reaktionen sind bei den Neurotransmittern, zu denen die Catecholamine gehören, die Mono-N-Methylierung von Noradrenalin zu Adrenalin, die durch die Noradrenalin N-Methyltransferase (EC 2.1.1.28) katalysiert wird. Adrenalin und Noradrenalin werden durch die Catechol-O-Methyltransferase (COMT, EC 2.1.1.6) katalysierte Mono-O-Methylierung dem weiteren metabolischen Abbau und der Elimination zugeführt [21-23]. Kreatin spielt eine wichtige Rolle im Energiestoffwechsel des Menschen.
Kreatin wird u.a. in der Niere und der Leber aus Guanidinoacetat (GAA) durch die Guanidinoacetat-N-Methyltransferase (GAMT, EC 2.1.1.2) katalysierte Mono-N-Methylierung von GAA gebildet [24, 25].
Eine wichtige Funktion nimmt die Methylierung im Zusammenhang mit der Regulation der menschlichen DNA ein. DNA-Methyltransferasen (DNMT) erkennen die Basenfolge CpG als Signalsequenz und übertragen in Folge dessen unter Verbrauch von SAM eine Methylgruppe auf das C5-Atom von Cytosin, wodurch das 5-Methylcytosin gebildet wird.
DNA-Regionen mit einem besonders hohen Anteil an CpG-Basenfolgen werden CpG-Inseln genannt. Diese liegen häufig hypomethyliert in Promotorbereichen von Genen vor und haben substanziellen Einfluss auf die Repression und Expression von bestimmten Genen.
Der Gesamteinfluss von Cytosin-Methylierungen und Histon-Modifikationen auf die Aktivität von Genen wird auch unter dem Oberbegriff der Epigenetik zusammengefasst.
Epigenetische Defekte, die sich als genomische Hypo- oder auch Hypermethylierung im Bereich von CpG-Inseln darstellen, sind häufig mit der malignen Entartung von Zellen und somit mit Krebs assoziiert [26]. Neuere Erkenntnisse über N-Methylierungen am N6-Atom von Adenin in Mäusen deuten ebenfalls auf eine mögliche N-Methylierung von Adenin im Menschen und damit verknüpft auf eine mögliche Bedeutung in der humanen DNA hin [27].
Die Methylierung der basischen Aminosäuren L-Lysin und L-Arginin ist im Zusammenhang mit der epigenetischen Regulation der Histone eine gut untersuchte PTM. Prinzipiell beeinflussen Methylierung und Demethylierung der Histone, in Abhängigkeit von dem entsprechenden Lysin oder Arginin, die Zugänglichkeit der DNA für die Transkriptionsmaschinerie der Zelle. Katalysiert werden diese beiden Reaktionen durch Histon-Methyltransferasen und -Demethylasen [28]. Im Allgemeinen erhöht die Übertragung einer Methylgruppe auf die terminale Aminogruppe von Lysin- oder auf die
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Guanidinogruppe von Arginin-Resten in Proteinen die Hydrophobizität sowie die sterische Ausdehnung dieser Aminosäuren in Abhängigkeit vom Methylierungsgrad; sie beeinflusst jedoch nicht deren positive Ladung [29].
Für das Lysin wurden bisher zwei Enzymfamilien identifiziert, die das Lysin in Histonen und nicht-Histon-Proteinen an der ε-Aminogruppe einfach, zweifach oder dreifach methylieren können. Dazu gehören die Su(var)3-9, Enhancer-of-zeste and Trithorax (SET)-Domänen beinhaltenden Proteine [30] und Disruptor of telomeric silencing 1 (DOT1)-ähnliche Proteine [31]. Als Gegenspieler zur Lysin-Methylierung wurden die Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD)-abhängigen Aminoxidasen [32, 33] und die Jumonji C (JmjC)-Domänen beinhaltenden, Eisen- und 2-Oxoglutarat-abhängigen Dioxygenasen [34-36] als Enzym-familien klassifiziert.
Für das Arginin wurde im Gegensatz zum Lysin bisher nur die Familie der Protein-Arginin N-Methyltransferasen (PRMT) als methylierende Enzyme nachgewiesen. PRMT können Arginin-Reste in Proteinen entweder einfach zu NG-Monomethyl-Arginin-Resten oder zweifach zu NG,NG-Dimethyl-Arginin-Resten und zu NG,N‘G-Dimethyl-Arginin-Resten methylieren. Es wird daher zwischen asymmetrischer und symmetrischer NG-Dimethylierung unterschieden [37]. Bei den Enzymen, die NG-Methylarginin-Reste demethylieren, besteht noch kein abschließender Konsens über deren Identität und Funktion. In Anlehnung an die Lysin-demethylierende Familie der Dioxygenasen, wurde für das Arginin das Jumonji domain-containing-6 (JMJD6) Protein als eine Eisen-, 2-Oxoglutarat- und Ascorbinsäure-abhängige Dioxygenase entdeckt. Diese soll Mono- und sowohl symmetrische als auch asymmetrische Dimethylierungen an den Histonen H3 und H4 unter Abspaltung von Formaldehyd demethylieren [38]. Neuere massenspektrometrische Daten weisen dagegen auf eine Rolle von JMJD6 als Lysylhydroxylase im alternativen Spleißen hin [39, 40]. Darüber hinaus wurde die Familie der Protein-Arginin-Deiminasen (PAD, EC 3.5.3.15), speziell der PAD Subtyp 4, als Arginin demethylierendes Enzym für humane Histone postuliert [41]. Chemisch betrachtet, können die PAD jedoch nicht als Demethylasen bezeichnet werden, da sie eine Deiminierung von Arginin-Resten in Proteinen katalysieren und die demethylierenden Eigenschaften zudem in der Fachliteratur umstritten sind [42, 43].
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Die Methylierung von weiteren Aminosäuren in Proteinen ist im Menschen nicht auszuschließen, wie die erst kürzliche Entdeckung von methylierten Histidin-Resten im β-Aktin von humanen Zellen durch zwei voneinander unabhängigen wissenschaftlichen Gruppen gezeigt hat [44, 45].
Der Hauptfokus im Bereich der Methylierung von Biomolekülen der letzten 50 Jahre lag eindeutig auf der DNA, wie Abbildung 2 eindrucksvoll zeigt. Die Methylierung von Lysin- und Arginin-Resten in Proteinen, in beiden Fällen hauptsächlich in Histonen, wurde deutlich weniger Aufmerksamkeit in der Forschung geschenkt (Abbildung 2). Diese Abbildung macht jedoch auch deutlich, dass das wissenschaftliche Interesse an Methylierungen von Arginin- und Lysin-Resten in Proteinen in den letzten Jahren unverhältnismäßig stärker als an der DNA-Methylierung angestiegen ist.
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Abbildung 2: Anzahl der Fachpublikationen in der PubMed-Datenbank in den Jahren 1971-2019 zur humanen DNA-, Lysin- und Arginin-Methylierung. Es wurden die Suchbegriffe „human DNA methylation“, „human lysine methylation“ und „human arginine methylation“ verwendet. Die logarithmische Skala auf der y-Achse sollte beachtet werden. Zugriff: 05.06.2019
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Im nächsten Abschnitt wird vertiefend auf die Enzymfamilie der Protein-Arginin N-Methyltransferasen (PRMT) und auf deren Hauptprodukte, das asymmetrische Dimethyl-Arginin (ADMA) und das symmetrische Dimethyl-Dimethyl-Arginin (SDMA) eingegangen.