MECANISMO DE RECONOCIMIENTO MOLECULAR DE LA TRIMETILLISINA MEDIANTE PROTEÍNAS LECTORAS EPIGENÉTICAS
MECHANISM OF BIOMOLECULAR RECOGNITION OF TRIMETHYLLYSINE BY EPIGENETIC READER PROTEINS
Jordi Poater
Departament de Química Inorgànica i Orgànica & IQTCUB, Universitat de Barcelona
La comprensión del reconocimiento biomolecular de proteínas histonas modificadas postraduccionalmente es de vital importancia para la hipótesis del código de histonas. A pesar de los extensos estudios estructurales y de unión sobre la lectura de histonas, el lenguaje molecular mediante el cual se leen las modificaciones postraduccionales en las proteínas histonas sigue siendo poco conocido. Aquí presentamos estudios de química físico-orgánica sobre el reconocimiento de la trimetillisina cargada positivamente por un sistema aromático rico en electrones. El carácter aromático de dos residuos de triptófano que constituyen únicamente el sistema aromático de KDM5A se modificó mediante la incorporación de sustituyentes de flúor. Este trabajo demuestra que el reconocimiento biomolecular de trimetillisina mediante distintos sistemas aromáticos está asociado con interacciones catión-π más débiles que son compensadas por la liberación mediada por trimetillisina energéticamente más favorable de moléculas de agua.
Por otro lado, buscamos establecer si la trimetiltialisina, un análogo de la trimetillisina generado a través de la alquilación de cisteína, es un buen mímico de la trimetillisina para estudios sobre reconocimiento molecular por proteínas lectoras. Ambos péptidos de histona que contienen trimetiltialisina y trimetilisina se han examinado para determinar su unión con cinco proteínas lectoras humanas empleando una combinación de análisis termodinámicos, simulaciones de dinámica molecular y análisis químico-cuánticos.
Colectivamente, nuestros hallazgos experimentales y computacionales revelan que la trimetiltialisina y la trimetilisina exhiben características de unión muy similares para la asociación con proteínas lectoras humanas, lo que justifica el uso de trimetiltialisina para estudios dirigidos a diseccionar el origen del reconocimiento biomolecular en procesos epigenéticos que desempeñan papeles importantes en humanos.
The understanding of biomolecular recognition of posttranslationally modified histone proteins is centrally important to the histone code hypothesis. Despite extensive binding and structural studies on the readout of histones, the molecular language by which posttranslational modifications on histone proteins are read remains poorly understood. Here we report physical-organic chemistry studies on the recognition of the positively charged trimethyllysine by the electron-rich aromatic cage containing PHD3 finger of KDM5A. The aromatic character of two tryptophan residues that solely constitute the aromatic cage of KDM5A was fine-tuned by the incorporation of fluorine substituents. Our thermodynamic analyses reveal that the wild-type and fluorinated KDM5A PHD3 fingers associate equally well with trimethyllysine. This work demonstrates that the biomolecular recognition of trimethyllysine by fluorinated aromatic cages is associated with weaker cation–π interactions that are compensated by the energetically more favourable trimethyllysine-mediated release of high-energy water molecules that occupy the aromatic cage.
On the other hand, we seek to establish whether trimethylthyalisine, an analog of trimethyllysine generated through the alkylation of cysteine, is a good mimic of trimethyllysine for studies on molecular recognition by reader proteins. Both histone peptides that contain trimethylthialysine and trimethyllysine have been screened for binding to five human reader proteins using a combination of thermodynamic analysis, molecular dynamics simulations, and quantum-chemical analysis.
Collectively, our experimental and computational findings reveal that trimethylthyalisine and trimethyllysine exhibit very similar binding characteristics for association with human reading proteins, which justifies the use of trimethyllysine for studies aimed at dissecting the origin of biomolecular recognition in epigenetic processes that perform important roles in humans.