ميثيل ترانسفيراز

يؤثر المثيلة، بالإضافة إلى التعديلات فوق الجينية الأخرى، على النسخ الجيني ، واستقرار الجينات، والبصمة الوراثية الأبوية . ^{[ 2 ]} كما يؤثر بشكل مباشر على بنية الكروماتين ، ويمكنه تعديل نسخ الجينات، أو حتى إسكات الجينات أو تنشيطها تمامًا، دون حدوث طفرة في الجين نفسه. ورغم أن آليات هذا التحكم الجيني معقدة، إلا أن نقص مثيلة الحمض النووي وفرطها يرتبطان بالعديد من الأمراض.

يلعب مثيلة البروتينات دورًا تنظيميًا في تفاعلات البروتين-البروتين ، وتفاعلات البروتين-الحمض النووي ، وتنشيط البروتين.

أمثلة: يُعدّ بروتين RCC1 ، وهو بروتين مهم في الانقسام الخلوي ، مُمَثْيَلًا ليتمكن من التفاعل مع السنتروميرات في الكروموسومات. هذا مثال على تنظيم التفاعل بين البروتينات، حيث يُنظّم المَثْيَل ارتباط RCC1 ببروتينات الهيستون H2A و H2B . كما يُعدّ تفاعل RCC1 مع الكروماتين مثالًا على التفاعل بين البروتين والحمض النووي، إذ يتفاعل نطاق آخر من RCC1 مباشرةً مع الحمض النووي عندما يكون هذا البروتين مُمَثْيَلًا. عندما لا يكون RCC1 مُمَثْيَلًا، تحتوي الخلايا المنقسمة على أقطاب مغزل متعددة ، وعادةً ما لا تستطيع البقاء.

يُضاف مثيل إلى الليسين في البروتين p53 لتنظيم تنشيطه وتفاعله مع البروتينات الأخرى في استجابة تلف الحمض النووي. يُعد هذا مثالًا على تنظيم التفاعلات بين البروتينات وتنشيطها. يُعرف البروتين p53 بكونه مثبطًا للأورام ، حيث يُنشط مسارات إصلاح الحمض النووي ، ويُحفز موت الخلايا المبرمج ، ويُوقف دورة الخلية . بشكل عام، يستجيب للطفرات في الحمض النووي، مُرسلًا إشارات إلى الخلية لإصلاحها أو لبدء موتها، حتى لا تُساهم هذه الطفرات في الإصابة بالسرطان.

يُعدّ NF-κB (بروتينٌ مُشاركٌ في الالتهاب) هدفًا معروفًا لعملية مثيلة الحمض النووي بواسطة إنزيم SETD6 ، الذي يُعطّل إشارات NF-κB عن طريق تثبيط إحدى وحداته الفرعية، RelA . يُقلّل هذا من التنشيط النسخي والاستجابة الالتهابية ، مما يجعل مثيلة NF-κB عمليةً تنظيميةً تُقلّل من خلالها إشارات الخلية عبر هذا المسار. ^{[ 3 ]}

تُوفّر إنزيمات ميثيل ترانسفيراز المُستخلصة من المنتجات الطبيعية مجموعة متنوعة من المدخلات للمسارات الأيضية، بما في ذلك توافر العوامل المساعدة، وجزيئات الإشارة، والمستقلبات. وهذا يُنظّم مسارات خلوية مختلفة من خلال التحكم في نشاط البروتين.

تُعدّ إنزيمات ميثيل ترانسفيراز الهيستون ضرورية للتنظيم الجيني على المستوى فوق الجيني . فهي تُعدّل بشكل أساسي الليسين على ذرة النيتروجين إبسيلون ومجموعة غوانيدينيوم الأرجينين في ذيول الهيستون. تُصنّف إنزيمات ميثيل ترانسفيراز الليسين وإنزيمات ميثيل ترانسفيراز الأرجينين ضمن فئات إنزيمات فريدة، إلا أن كليهما يرتبط بـ SAM كمانح للميثيل لركائز الهيستون الخاصة بهما . يمكن تعديل أحماض الليسين الأمينية بمجموعة ميثيل واحدة أو اثنتين أو ثلاث، بينما يمكن تعديل أحماض الأرجينين الأمينية بمجموعة ميثيل واحدة أو اثنتين. يُؤدي هذا إلى زيادة قوة الشحنة الموجبة وكراهية الماء للبقايا ، مما يسمح للبروتينات الأخرى بالتعرف على علامات الميثيل. يعتمد تأثير هذا التعديل على موقعه على ذيل الهيستون والتعديلات الأخرى المحيطة به. يمكن تحديد موقع التعديلات جزئيًا من خلال تسلسل الحمض النووي، بالإضافة إلى الحمض النووي الريبوزي غير المشفر الصغير ومثيلة الحمض النووي نفسه. في أغلب الأحيان، يكون الهيستون H3 أو H4 هو الذي يخضع للمثيلة في الفقاريات. قد يحدث إما زيادة أو نقصان في نسخ الجينات المحيطة بالتعديل. تنتج زيادة النسخ عن انخفاض تكثف الكروماتين ، بينما ينتج نقص النسخ عن زيادة تكثف الكروماتين. ^{[ 4 ]} تساهم علامات الميثيل على الهستونات في هذه التغييرات من خلال العمل كمواقع لاستقطاب بروتينات أخرى قادرة على تعديل الكروماتين بشكل إضافي. ^{[ 5 ]}

تقوم إنزيمات ميثيل ترانسفيراز N-ألفا بنقل مجموعة ميثيل من SAM إلى ذرة النيتروجين الطرفية N في البروتينات المستهدفة. يُفصل الميثيونين الطرفي N أولًا بواسطة إنزيم آخر، ثم يتعرف إنزيم الميثيل ترانسفيراز على التسلسل التوافقي X- برولين -لايسين. بالنسبة لجميع الركائز المعروفة، يكون الحمض الأميني X هو ألانين أو سيرين أو برولين. ينتج عن هذا التفاعل بروتين مُمَثْيَل وSAH. تشمل الأهداف المعروفة لهذه الإنزيمات في البشر RCC-1 (منظم بروتينات النقل النووي) وبروتين الورم الأرومي الشبكي (بروتين كابح للأورام يمنع الانقسام الخلوي المفرط). يُعد مَثْيَلة RCC-1 مهمًا بشكل خاص في الانقسام المتساوي ، حيث يُنسق تموضع بعض البروتينات النووية في غياب الغلاف النووي . عندما لا يكون RCC-1 مُمَثْيَلًا، يكون الانقسام الخلوي غير طبيعي نتيجة لتكوين أقطاب مغزلية إضافية . ^{[ 6 ]} وظيفة مَثْيَلة الطرف N لبروتين الورم الأرومي الشبكي غير معروفة.

تحدث مثيلة الحمض النووي، وهي عنصر أساسي في التنظيم الجيني، بشكل رئيسي عند ذرة الكربون الخامسة في قاعدة السيتوزين ، مُكَوِّنةً 5'-ميثيل سيتوزين (انظر إلى اليسار). ^{[ 7 ]} المثيلة هي تعديل فوق جيني تحفزه إنزيمات ناقلة ميثيل الحمض النووي ، بما في ذلك DNMT1 وDNMT2 (الذي أُعيد تسميته إلى TRDMT1 ليعكس وظيفته في مثيلة الحمض النووي الريبوزي الناقل، وليس الحمض النووي)، وDNMT3. تستخدم هذه الإنزيمات S-أدينوسيل ميثيونين كمانح للميثيل، وتحتوي على العديد من السمات البنيوية المحفوظة للغاية بين الأشكال الثلاثة؛ وتشمل هذه السمات موقع ارتباط S-أدينوسيل ميثيونين، وزوج برولين-سيستين متجاور يُكَوِّن أنيون ثيولات مهم لآلية التفاعل، وجيب ارتباط ركيزة السيتوزين. العديد من سمات ناقلات ميثيل الحمض النووي محفوظة بشكل كبير عبر العديد من فئات الحياة، من البكتيريا إلى الثدييات. إضافةً إلى تنظيم التعبير عن جينات معينة ، توجد مجموعة متنوعة من المركبات البروتينية، يرتبط العديد منها بصحة الإنسان، والتي ترتبط فقط بمواقع التعرف على الحمض النووي الميثيلي . يُعتقد أن العديد من ناقلات ميثيل الحمض النووي المبكرة مشتقة من ناقلات ميثيل الحمض النووي الريبي التي كان من المفترض أن تكون نشطة في عالم الحمض النووي الريبي لحماية العديد من أنواع الحمض النووي الريبي البدائي. ^{[ 8 ]} لوحظت مثيلة الحمض النووي الريبي في أنواع مختلفة من الحمض النووي الريبي، مثل mRNA و rRNA و tRNA و snoRNA و snRNA و miRNA و tmRNA ، بالإضافة إلى أنواع الحمض النووي الريبي الفيروسي. تستخدم الخلايا ناقلات ميثيل محددة للحمض النووي الريبي لوضع علامات على أنواع الحمض النووي الريبي وفقًا للحاجة والبيئة المحيطة بالخلايا، وهو ما يشكل جزءًا من مجال يُسمى علم التخلق الجزيئي . تُعد مثيلة 2'-O ، ومثيلة m6A ، ومثيلة m1G، بالإضافة إلى m5C، من أكثر علامات المثيلة شيوعًا التي تُلاحظ في أنواع مختلفة من الحمض النووي الريبي.

6A هو إنزيم يحفز التفاعل الكيميائي على النحو التالي: ^{[ 9 ]}

S-أدينوزيل-L-ميثيونين + أدينين الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) ← S-أدينوزيل-L-هوموسيستين + الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) ← 6-ميثيل أمينوبورين

كان تعديل m6A موجودًا بشكل أساسي في بدائيات النوى حتى عام 2015، حين تم التعرف عليه أيضًا في بعض حقيقيات النوى. تقوم إنزيمات ميثيل ترانسفيراز m6A بمثيلة مجموعة الأمين في الحمض النووي عند الموضع C-6 تحديدًا لمنع النظام المضيف من هضم جينومه الخاص بواسطة إنزيمات التقييد. ^{[ 10 ]}

يلعب m5C دورًا في تنظيم نسخ الجينات. إنزيمات m5C ترانسفيراز هي الإنزيمات التي تنتج C5-ميثيل سيتوزين في الحمض النووي عند الموضع C-5 من السيتوزين، وتوجد في معظم النباتات وبعض حقيقيات النوى. ^{[ 11 ]}

إنزيمات ميثيل ترانسفيراز المنتجات الطبيعية (NPMTs) هي مجموعة متنوعة من الإنزيمات التي تضيف مجموعات الميثيل إلى الجزيئات الصغيرة المنتجة طبيعيًا. وكما هو الحال مع العديد من إنزيمات ميثيل ترانسفيراز، يُستخدم SAM كمانح للميثيل، وينتج SAH. تُضاف مجموعات الميثيل إلى ذرات الكبريت أو النيتروجين أو الأكسجين أو الكربون، وتُصنف هذه الإنزيمات حسب الذرة التي تم تعديلها، حيث تُمثل إنزيمات ميثيل ترانسفيراز الأكسجين (O-methyltransferases) الفئة الأكبر. تؤدي نواتج هذه التفاعلات الميثيلية وظائف متنوعة، بما في ذلك العوامل المساعدة والأصباغ ومركبات الإشارة والمستقلبات. يمكن لإنزيمات NPMTs أن تؤدي دورًا تنظيميًا من خلال تعديل تفاعلية هذه المركبات وتوافرها. لا تُحفظ هذه الإنزيمات بشكل كبير بين الأنواع المختلفة، إذ تؤدي وظيفة أكثر تحديدًا في توفير جزيئات صغيرة لمسارات متخصصة في أنواع معينة أو مجموعات أصغر من الأنواع. يعكس هذا التنوع تنوع الاستراتيجيات التحفيزية، بما في ذلك التحفيز الحمضي القاعدي العام ، والتحفيز القائم على المعادن ( مؤرشف في 27 فبراير 2014 على موقع Wayback Machine) ، وتأثيرات التقارب وإزالة المذيب التي لا تتطلب أحماضًا أمينية محفزة. تُعد إنزيمات NPMTs الفئة الأكثر تنوعًا وظيفيًا من إنزيمات ميثيل ترانسفيراز. ^{[ 12 ]}

من الأمثلة المهمة لهذه الفئة من الإنزيمات في الإنسان إنزيم فينيل إيثانولامين N-ميثيل ترانسفيراز (PNMT)، الذي يحول النورإبينفرين إلى إبينفرين ، ^{[ 14 ]} وإنزيم هيستامين N-ميثيل ترانسفيراز (HNMT)، الذي يقوم بمثيلة الهيستامين في عملية استقلاب الهيستامين. ^{[ 15 ]} أما إنزيم كاتيكول- O- ميثيل ترانسفيراز (COMT) فيقوم بتحليل فئة من الجزيئات تُعرف باسم الكاتيكولامينات، والتي تشمل الدوبامين والإبينفرين والنورإبينفرين. ^{[ 16 ]}

يُعد كل من الميثانول ، وميثيل تتراهيدروفولات ، وأحادي ميثيل أمين ، وثنائي ميثيل أمين ، وثلاثي ميثيل أمين ، وميثانثيول ، وميثيل تتراهيدروميثانوبترين ، وكلوروميثان ، مانحات للميثيل موجودة في الكائنات الحية كمانحات لمجموعة الميثيل، وعادةً ما تكون في التفاعلات الإنزيمية باستخدام العامل المساعد فيتامين ب12 . ^{[ 17 ]} تساهم هذه الركائز في مسارات نقل الميثيل بما في ذلك التخليق الحيوي للميثيونين ، وتكوين الميثان ، وتكوين الأسيتات .

استنادًا إلى اختلاف بنى البروتينات وآليات التحفيز، توجد ثلاثة أنواع مختلفة من ميثيلازات SAM الجذرية (RS): الفئة A، والفئة B، والفئة C. تُعد ميثيلازات الفئة A من الفئة RS الأكثر دراسةً من بين الإنزيمات الأربعة، وهي مرتبطة بكل من RlmN وCfr. ينتشر RlmN في البكتيريا، حيث يُحسّن دقة الترجمة، ويُحفّز مثيلة ذرة الكربون C2 للأدينوزين 2503 (A2503) في الحمض النووي الريبوزي 23S، وكذلك ذرة الكربون C2 للأدينوزين (A37). من ناحية أخرى، يُحفّز Cfr مثيلة ذرة الكربون C8 للأدينوزين 2503، بالإضافة إلى مثيلة ذرة الكربون C2. ^{[ 18 ]} تُعدّ الفئة B حاليًا أكبر فئة من ميثيلازات SAM الجذرية، والتي تستطيع مثيلة ذرات الكربون المهجنة sp2 و sp3 في مجموعات مختلفة من الركائز، على عكس الفئة A التي تحفز مثيلة ذرات الكربون المهجنة sp2 فقط . ويكمن الاختلاف الرئيسي الذي يميز الفئة B عن غيرها في وجود نطاق إضافي لربط الكوبالامين في الطرف الأميني، والذي يرتبط بنطاق RS. ^{[ 19 ]} يمتلك ميثيلاز الفئة C تسلسلًا متماثلًا مع إنزيم RS، وهو أوكسيداز الكوبروبورفيرينوجين III (HemN)، الذي يحفز أيضًا مثيلة مراكز الكربون المهجنة sp2 ، إلا أنه يفتقر إلى السيستينين اللازمين للمثيلة في آلية عمل الفئة A. ^{[ 18 ]}