ADN (citosina-5)-metiltransferasa 3A

La ADN (citosina-5)-metiltransferasa 3A ( DNMT3A ) es una enzima que cataliza la transferencia de grupos metilo a estructuras CpG específicas en el ADN, un proceso denominado metilación del ADN . Esta enzima está codificada en humanos por el gen DNMT3A . ^{[ 5 ] [ 6 ]}

Esta enzima es responsable de la metilación de novo del ADN. Esta función debe distinguirse de la metilación de mantenimiento del ADN, que garantiza la fidelidad de la replicación de los patrones epigenéticos heredados. DNMT3A forma parte de la familia de enzimas ADN metiltransferasas , que incluye a DNMT1 , DNMT3A y DNMT3B . ^{[ 5 ] [ 6 ]}

Si bien la metilación de novo del ADN modifica la información transmitida por los padres a la descendencia, permite modificaciones epigenéticas clave esenciales para procesos como la diferenciación celular y el desarrollo embrionario , la regulación transcripcional , la formación de heterocromatina , la inactivación del cromosoma X , la impronta genómica y la estabilidad del genoma. ^{[ 7 ]}

DNMT3a es el gen que se encuentra mutado con mayor frecuencia en la hematopoyesis clonal , un fenómeno común relacionado con el envejecimiento en el que las células madre hematopoyéticas (CMH) u otros progenitores tempranos de células sanguíneas contribuyen a la formación de una subpoblación genéticamente distinta de células sanguíneas . ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

DNMT3A es una proteína de 130 kDa codificada por 23 exones que se encuentra en el cromosoma 2p23 en humanos. ^{[ 11 ]} Existe una homología del 98% entre los homólogos humanos y murinos . ^{[ 6 ]} DNMT3A se expresa ampliamente entre los mamíferos. ^{[ 12 ]}

Existen dos isoformas proteicas principales, DNMT3A1 y DNMT3A2, con pesos moleculares de aproximadamente 130 kDa y 100 kDa, respectivamente. La proteína DNMT3A2, que carece de la región N-terminal de DNMT3A1, está codificada por un transcrito iniciado a partir de un promotor corriente abajo. ^{[ 13 ]} Estas isoformas existen en diferentes tipos celulares. ^{[ 14 ]} Cuando se estableció originalmente, ^{[ 13 ]} se encontró que DNMT3A2 se expresaba en gran medida en testículo, ovario, bazo y timo. Más recientemente se demostró que se expresa de forma inducible en el hipocampo cerebral ^{[ 15 ]} y que es necesaria en el hipocampo para el establecimiento de la memoria. ^{[ 16 ]} DNMT3A2 también se regula positivamente en la corteza del núcleo accumbens en respuesta a la cocaína . ^{[ 17 ]}

DNMT3A consta de tres dominios proteicos principales: el dominio Pro-Trp-Trp-Pro (PWWP), el dominio ATRX-DNMT3-DNMT3L (ADD) y el dominio catalítico de metiltransferasa.

Las estructuras de DNMT3A1 y DNMT3A2 presentan analogías con la estructura de DNMT3B1 y también con las dos proteínas accesorias DNMT3B3 y DNMT3L (véase la figura de dominios simplificados de las isoformas de DNMT3A). Las dos proteínas accesorias estimulan la metilación de novo mediante sus interacciones con las tres isoformas que poseen un dominio catalítico funcional. En general, todas las DNMT requieren proteínas accesorias para su función biológica. ^{[ 18 ]}

El motivo PWWP se encuentra dentro de un dominio de aproximadamente 100 aminoácidos que posee una región con una cantidad significativa de residuos básicos (lisinas y argininas), lo que le confiere una superficie con carga positiva capaz de unirse al ADN. Una región independiente del dominio PWWP puede unirse a las metil-lisinas de las histonas a través de una cavidad hidrofóbica que incluye el propio motivo PWWP. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

El dominio ADD de DNMT3A está compuesto por un dedo de zinc tipo GATA N-terminal , un dedo PHD y una hélice alfa C-terminal , que, en conjunto, se organizan en un único pliegue globular. Este dominio puede actuar como un lector que se une específicamente a la histona H3 no metilada en la lisina 4 (H3K4me0). ^{[ 21 ]} El dominio ADD actúa como un inhibidor del dominio metiltransferasa hasta que DNMT3A se une a la lisina 4 no modificada de la histona 3 (H3K4me0) para su actividad de metilación de novo . ^{[ 14 ]} Por lo tanto, DNMT3A parece tener un mecanismo de control incorporado que dirige la metilación del ADN solo en las histonas no metiladas en la histona 3 con la lisina en la cuarta posición desde el extremo amino no metilada.

El dominio catalítico (el dominio metiltransferasa) está altamente conservado, incluso entre procariotas . ^{[ 22 ]}

Las tres ADN metiltransferasas (DNMT3A1, DNMT3A2 y DNMT3B) catalizan reacciones que colocan un grupo metilo en una citosina, generalmente en un sitio CpG en el ADN. ^{[ 23 ]} La figura adjunta muestra un complejo de metiltransferasa que contiene DNMT3A2. Estas enzimas, para ser efectivas, deben actuar junto con una proteína accesoria (por ejemplo, DNMT3B3, DNMT3L u otras). ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]} Dos proteínas accesorias (que no tienen actividad catalítica), complejas con dos DNMT con un dominio catalítico, se presentan como un heterotetrámero (véase la figura). Estos heterotetrámeros se presentan en el orden: proteína accesoria-proteína catalítica-proteína catalítica-proteína accesoria. El complejo particular que se muestra en la figura ilustra el heterotetrámero formado por la proteína catalítica DNMT3A2 y la proteína accesoria DNMT3B3. Una proteína accesoria del complejo se une a una región ácida del núcleo del nucleosoma (véase la parte superior 3B3 de la figura). La unión de esta proteína accesoria al nucleosoma orienta el heterotetrámero. Esta orientación sitúa la primera DNMT catalítica (la más cercana a la proteína accesoria unida al nucleosoma) en una posición intermedia (lejos del ADN espaciador ). La segunda DNMT catalítica (parte inferior 3A2 de la figura) se ubica en el ADN espaciador. Las metilaciones pueden ocurrir dentro de este ADN espaciador (como se muestra en la figura), pero no en ningún ADN que rodee el núcleo del nucleosoma.

Como demostraron Manzo et al., ^{[ 27 ]} existen sitios de unión individuales específicos para las tres DNMT catalíticas (3A1, 3A2 y 3B3), así como sitios de unión superpuestos de estas enzimas. Hay 28 millones de sitios CpG en el genoma humano. ^{[ 28 ]} Muchos de estos CpG se encuentran dentro de islas CpG (regiones de ADN) con una densidad relativamente alta de sitios CpG. ^{[ 28 ]} De estas regiones, hay 3970 regiones enriquecidas exclusivamente para DNMT3A1, 3838 regiones para DNMT3A2 y 3432 regiones para DNMT3B, y hay sitios que son compartidos entre las proteínas DNMT de novo. ^{[ 27 ]} Además, el hecho de que la ADN metiltransferasa (DNMT3A1, DNMT3A2 o DNMT3B) actúe sobre un sitio CpG disponible depende de la secuencia que flanquea el sitio CpG dentro del ADN espaciador. ^{[ 26 ]}

DNMT1 es responsable del mantenimiento de la metilación del ADN, mientras que DNMT3A y DNMT3B llevan a cabo tanto el mantenimiento (corrigiendo los errores de DNMT1) como la metilación de novo del ADN. Tras la eliminación de DNMT1 en células cancerosas humanas, se observó que estas células conservaban su patrón de metilación heredado, ^{[ 29 ]} lo que sugiere una actividad de mantenimiento por parte de las DNMT3 expresadas. Las DNMT3 muestran igual afinidad por los sustratos de ADN no metilados y hemimetilados ^{[ 29 ],} mientras que DNMT1 tiene una preferencia de 10 a 40 veces mayor por el ADN hemimetilado. ^{[ 30 ] [ 31 ]} Las DNMT3 pueden unirse a ambas formas y, por lo tanto, potencialmente realizan modificaciones tanto de mantenimiento como de novo.

La metilación de novo es la principal actividad reconocida de DNMT3A, esencial para procesos como los mencionados en los párrafos introductorios. La impronta genética previene la partenogénesis en mamíferos ^{[ 32 ]} y, por lo tanto, fuerza la reproducción sexual y sus múltiples consecuencias en la genética y la filogénesis. DNMT3A es esencial para la impronta genética ^{[ 33 ] .}

Las investigaciones sobre el almacenamiento de la memoria a largo plazo en humanos indican que la memoria se mantiene mediante la metilación del ADN . ^{[ 34 ]} Las ratas en las que se induce una nueva y fuerte memoria a largo plazo debido al condicionamiento de miedo contextual presentan una expresión reducida de aproximadamente 1000 genes y una expresión aumentada de aproximadamente 500 genes en la región del hipocampo del cerebro. Estos cambios ocurren 24 horas después del entrenamiento. En este punto, se observa una expresión modificada del 9,17 % del genoma del hipocampo de la rata. La expresión reducida de genes se asocia con metilaciones de novo de los genes. ^{[ 35 ]}

En ratones, se ha demostrado que la expresión reducida de este gen en animales envejecidos provoca un deterioro de la memoria cognitiva a largo plazo. ^{[ 15 ]}

En ratones Dnmt3a-/-, muchos genes asociados con la autorrenovación de las células madre hematopoyéticas (CMH) aumentan su expresión y algunos no se reprimen adecuadamente durante la diferenciación. ^{[ 36 ]} Esto sugiere una abrogación de la diferenciación en las CMH y, en cambio, un aumento en la división celular de autorrenovación. De hecho, se encontró que la diferenciación se rescataba parcialmente si las CMH Dnmt3a-/- experimentaban una reducción adicional de Ctnb1 ; Ctnb1 codifica la β-catenina, que participa en la división celular de autorrenovación. ^{[ 14 ]}

Este gen se muta frecuentemente en el cáncer, siendo uno de los 127 genes frecuentemente mutados identificados en el proyecto Atlas del Genoma del Cáncer ^{[ 37 ]} Las mutaciones de DNMT3A se observaron con mayor frecuencia en la leucemia mieloide aguda (LMA), donde ocurrieron en poco más del 25% de los casos secuenciados. Estas mutaciones ocurren con mayor frecuencia en la posición R882 en la proteína y esta mutación puede causar pérdida de función. ^{[ 38 ]} Las mutaciones de DNMT3A están asociadas con una supervivencia general deficiente, lo que sugiere que tienen un importante efecto común en el potencial de las células de LMA para causar enfermedad letal. ^{[ 39 ]} También se ha descubierto que las líneas celulares mutadas de DNMT3A exhiben inestabilidad del transcriptoma , ya que tienen un empalme de ARN mucho más erróneo en comparación con sus contrapartes isogénicas de tipo silvestre. ^{[ 40 ]} Las mutaciones en este gen también están asociadas con el síndrome de Tatton-Brown-Rahman , un trastorno de sobrecrecimiento.

Se ha demostrado que DNMT3A interactúa con: