Bei der Familie der PRMT handelt es sich um Enzyme, welche mit Hilfe von SAM als Kofaktor Arginin-Reste in Proteinen methylieren können. Das erste Mitglied der PRMT-Familie wurde bereits 1967 aus Kälberthymus isoliert und auf enzymatische Aktivität hin untersucht und klassifiziert [46]. Erst knapp 30 Jahre später verhalfen die Gensequenz des Protein-Arginin N-Methyltransferase 1 (RMT1) Gens aus Saccharomyces cerevisiae sowie die Isolation des murinen PRMT1-Proteins aus der Ratten-Fibroblasten Zelllinie RAT1 zur Identifizierung des humanen PRMT1 Gen Homologs [47-49] In den darauffolgenden Jahren wurden weitere Mitglieder der humanen PRMT-Familie identifiziert, welche fortführend durchnummeriert wurden. Mittlerweile sind im Menschen die PRMT1 bis 9 bekannt, die in Abhängigkeit von deren katalysierten Reaktionen in 3 Typen eingeteilt werden [37]. Die humanen PRMT1-4, 6 und 8 werden dem Typ I (EC 2.1.1.319) zugeordnet, welcher die Enzyme umfasst, die die Bildung von NG-Monomethyl-Arginin (MMA) und asymmetrischem NG,NG-Dimethyl-Arginin (ADMA) in Proteinen katalysieren. Die PRMT1 ist dabei die dominante Form. Dem Typ II (EC 2.1.1.320) gehören die PRMT5 und 9 an, welche die Bildung von MMA und symmetrischem NG,N´G-Dimethyl-Arginin (SDMA) in Proteinen katalysieren, wobei hierbei die PRMT5 das dominierende Enzym ist. Letztlich gibt es noch den Typ III (EC 2.1.1.321), dessen Vertreter die PRMT7 ist, und welcher nur die Mono-N-Methylierung von Arginin-Resten in Proteinen zu MMA katalysiert [50-52]. In Abbildung 3 sind die genannten Reaktionen schematisch für die 3 verschiedenen PRMT-Typen dargestellt.
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Abbildung 3: Schematische Darstellung der Arginin-Methylierung in Proteinen durch die PRMT Typen I, II und III. Arginin-Reste in Proteinen können im ersten Schritt durch die Protein Arginin N-Methyltransferase (PRMT) Typen I, II und III unter Verbrauch von S-Adenosylmethionin (SAM) und unter der Bildung von S-Adenosylhomocystein (SAH) jeweils zu Monomethyl-Arginin (MMA) methyliert werden. In einem zweiten Schritt kann MMA entweder durch den PRMT Typ I in asymmetrisches Dimethylarginin (ADMA) oder durch den Typ II in symmetrisches Dimethylarginin (SDMA) umgewandelt werden. Der Einfachheit halber wurde auf die Darstellung von Ladungen verzichtet.
Der Annahme folgend, dass grob geschätzt 70 % der Mono-Methylierungen und 85 % der asymmetrischen Dimethylierungen von Arginin-Resten in Proteinen in Saccharomyces cerevisiae auf die Aktivität der PRMT1 zurückzuführen sind und sich diese zentrale Rolle der PRMT1 in der Methylierung von Arginin-Resten ebenfalls in Proteinen von Säugetieren gezeigt hat, ist konsequenterweise auch von einer hohen Bedeutung der PRMT1 auf die
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Methylierung von Arginin-Resten in Proteinen im Menschen auszugehen [47, 53]. Nach der erfolgreichen Identifikation des humanen PRMT1 Gens, wurde innerhalb kurzer Zeit die Expression von 3 Spleiß-Varianten (Isoformen) des PRMT1 Gens mittels Reverse-Transkriptase-Polymerase-Kettenreaktion (reverse-transcriptase polymerase chain reaction, RT-PCR) in verschiedenen Organen des menschlichen Körpers nachgewiesen. Darunter befanden sich unter anderem die Niere, die Lunge, die Milz, das Herz, das Gehirn und der Pankreas [54]. In weiterführenden Arbeiten wurde die Anzahl der humanen PRMT1 Isoformen auf 7 [55] und zuletzt auf bis zu 34 erweitert, wobei die Isoform 1 die dominante Form ist [56]. Die verschiedenen Isoformen katalysieren allesamt die Bildung von ADMA in Proteinen über das MMA als Vorstufe, unterscheiden sich jedoch hinsichtlich ihrer Verteilung in den jeweiligen Geweben des menschlichen Organismus, in der subzellulären Lokalisation (Zellkern oder Zytoplasma) sowie in der jeweiligen enzymatischen Affinität (KM) und Substratspezifität [55]. Die Expression der PRMT1 scheint vor allem im frühen Stadium des Lebens eine entscheidende Rolle zu spielen. Die Generierung von PRMT1 Doppel-knockout Mäusen führte bereits im Embryonenstadium zum Tod der Tiere. Das Fehlen des Proteins hatte in vitro aber keinen nennenswerten Einfluss auf die Zellviabilität von murinen embryonalen Stammzellen [57].
Kristallographische Daten des PRMT3-Proteins deuten darauf hin, dass die Dimerisierung der Enzyme ein konserviertes Element innerhalb der PRMT-Familie ist [58]. Bei der PRMT1 scheint die Dimerisierung eine notwendige Voraussetzung zu sein, um in eine katalytisch aktive Form überzugehen. Vermutlich ermöglicht erst die Dimerisierung der PRMT1 die Bindung des Kofaktors SAM an das Enzym [59]. Eine weitere Funktion, die die Dimerisierung erklären würde, ist die prozessive Natur des Enzyms. Die Isolation von in vivo methylierten Substraten wies fast immer eine vollständige Dimethylierung der Arginin-Reste in den Proteinen auf [60]. Für die PRMT6 konnte in vitro der hypothetische prozessive Mechanismus bestätigt werden [61].
Die PRMT1 erkennt unter anderem Arginine in Glycin-Arginin reichen (glycine- and arginine-rich, GAR) Regionen als Methylierungsmotiv, welches in mehreren RNA- und DNA-bindenden Proteinen vorkommt [62]. Die Signalsequenzen, die die PRMT1 erkennt, wurden durch massenspektrometrische Daten erweitert. Es konnte gezeigt werden, dass die negativ
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geladenen Aminosäuren Asparaginsäure und Glutaminsäure in der -2 und -1 Region ungünstig für die Methylierung von Arginin-Resten in Proteinen oder Peptiden sind, während besonders ein Glycin oder Asparagin in der +1 Region und entweder ein weiteres Glycin, Arginin oder Alanin in der +2 Region für die Arginin-Methylierung erforderlich sind [63]. Basierend auf theoretischen Berechnungen erfolgt der zweite Methylierungsschritt von Arginin-Resten in Proteinen durch die PRMT1 schneller und ist zudem energetisch weniger aufwendig als der erste [64]. Außerdem zeigt die PRMT1 in einem breiten pH-Bereich von 6.0 bis 9.25 biologische Aktivität [65].
Durch die Dimethylierung von Arginin-Resten in Proteinen ergeben sich vielzählige Wechselwirkungen über die Tudor-Domäne mit anderen Proteinen. Die Tudor-Domäne wurde 1997 simultan von zwei Gruppen in Drosophila melanogaster beschrieben [66, 67]. Sie umfasst etwa 54 Aminosäuren und weist eine charakteristische Struktur aus 4 antiparallelen β-Faltblättern auf, welche die Ausbildung eines aromatischen Käfigs erlauben, die eine spezifische π-π-Wechselwirkung mit asymmetrisch oder symmetrisch dimethylierten Argininen ermöglicht. Im Menschen konnte sowohl eine Vielzahl an Tudor-Domänen beinhaltenden Proteinen als auch eine Vielzahl an mit Tudor-Domänen verwandten Domänen identifiziert werden, die sich in ihrer Spezifität zu asymmetrisch und symmetrisch dimethylierten Argininen in Proteinen und in deren Bindungsstärke unterscheiden [68-71].
Die Familie der PAD umfasst 5 Mitglieder, durchnummeriert von PAD1-4 und 6 und wird als direkter Konkurrent zur Familie der PRMT angesehen. Beide Familien konkurrieren um das gleiche Substrat: Arginin-Reste in Proteinen. Die 5 verschiedenen Isoformen der PAD werden unterschiedlich stark in verschiedenen Geweben exprimiert [72]. Sie katalysieren alle die Kalzium-abhängige Deiminierung von Arginin-Resten in Proteinen oder Peptiden zur nicht proteinogenen Aminosäure Citrullin. Diese Reaktion wird Citrullinierung genannt und stellt eine weitere PTM im menschlichen Organismus dar [73]. Bis heute konnte noch kein Enzym identifiziert werden, welches die Citrullinierung wieder rückgängig machen kann.
Daher ist die Frage danach, ob die Citrullinierung reversibel ist, vermutlich vorerst mit einem Nein zu beantworten. Ergebnisse aus in vitro Experimenten, in denen die Citrullinierung von Histonen durch die Gabe von Östrogen zunächst induziert wurde, zeigen, dass 10 min nach Beendigung des Versuchs, das Ausmaß der Histon-Citrullinierung
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wieder auf den Zustand vor Östrogen-Stimulation gesunken ist. Dies könnte auf das Vorhandensein einer „Decitrullinase“ hinweisen [41]. Eine in vitro Studie konnte zeigen, dass die PAD4 in der Lage ist, Monomethyl-Arginine in Citrullin-Peptide umzuwandeln. Das würde auf demethyliminierende Eigenschaften der PAD4 hindeuten [74]. Wahrscheinlicher ist jedoch, dass sowohl die Mono- als auch die Dimethylierung von Arginin-Resten in Proteinen oder Peptiden die Citrullinierung verhindern und inhibieren. In zusätzlichen in vitro Versuchen, in denen synthetische mono- und dimethylierte Peptide mit humanen und murinen PADs inkubiert wurden, konnten entgegen vorheriger Ergebnisse keine Citrullinierung der methylierten Peptide nachgewiesen werden [43, 75].
Die Citrullinierung wird darüber hinaus mit der Entstehung von Krebs [76] und mit der Entstehung von Autoimmunerkrankungen wie dem Typ 1 Diabetes mellitus (T1DM) oder der rheumatischen Arthritis (RA) in Verbindung gebracht [77, 78].