Interaction of DNA Methyltransferase Dnmt3a with Phosphorus Analogues of S-Adenosylmethionine and S-Adenosylhomocysteine

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Enzymatic methylatransferase reactions are of crucial importance for cellular metabolism, and S-adenosyl-L-methionine is the main donor of the methyl group. DNA, RNA, proteins, and low-molecular-weight compounds are the substrates of methyltransferases. In mammals, methylation of the C5 position of cytosine residues in CpG sequences in DNA is performed de novo by DNA methyltransferase Dnmt3a. “Methylation pattern” is one of the factors determining the epigenetic regulation of gene expression. In the present work, we investigated the interaction of phosphonous and phosphonic analogues of S-adenosyl-L-methionine and S-adenosyl-L-homocysteine with the catalytic domain of Dnmt3a. The phosphonous and phosphonic analogs of S-adenosyl-L-methionine were shown to be substrates of Dnmt3a, and the efficiency of the methylation was only two times less than that of natural S-adenosyl-L-methionine. Both phosphorus-containing analogs of S- adenosyl-L-homocysteine, a natural methyltransferase inhibitor, exhibited similar inhibitory activity against Dnmt3a and were approximately four times less active than S-adenosyl-L-homocysteine. The activities of the phosphonous and phosphonic analogs turned out to be close that was quite unexpected, since the geometry and charge of the phosphorus-containing groups differ significantly. The possibilities of using phosphorus-containing analogs of S- adenosyl-L- methionine and S-adenosyl-L-homocysteine as promising tools for the investigation of methyltransferases are discussed.

About the authors

V. L. Filonov

Engelhardt Institute of Molecular Biology, Russian Academy of Sciences

Email: alexkhom@list.ru
Russia, 119991, Moscow

M. A. Khomutov

Engelhardt Institute of Molecular Biology, Russian Academy of Sciences

Email: alexkhom@list.ru
Russia, 119991, Moscow

A. V. Sergeev

Faculty of Chemistry, Lomonosov Moscow State University

Email: alexkhom@list.ru
Russia, 119991, Moscow

A. L. Khandazhinskaya

Engelhardt Institute of Molecular Biology, Russian Academy of Sciences

Email: alexkhom@list.ru
Russia, 119991, Moscow

S. N. Kochetkov

Engelhardt Institute of Molecular Biology, Russian Academy of Sciences

Email: alexkhom@list.ru
Russia, 119991, Moscow

E. S. Gromova

Faculty of Chemistry, Lomonosov Moscow State University

Author for correspondence.
Email: gromova@genebee.msu.ru
Russia, 119991, Moscow

A. R. Khomutov

Engelhardt Institute of Molecular Biology, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: alexkhom@list.ru
Russia, 119991, Moscow

References

  1. Klimasauskas S., Lukinavicius G. (2008) AdoMet-dependent methyltransferases. Chemistry of Wiley Encyclopedia of Chemical Biology. John Wiley & Sons, Inc.
  2. Mensah I.K., Norvil A.B., AlAbdi L., McGovern S., Petell Ch.J., He M., Gowher H. (2021) Misregulation of the expression and activity of DNA methyltransferases in cancer. NAR Cancer. 3, 1–20.
  3. Moore L.D., Le T., Fan G. (2013) DNA methylation and its basic function. Neuropsychopharmacology. 38, 23–38.
  4. Jurkowska R.Z., Jurkowski T.P., Jeltsch A. (2011) Structure and function of mammalian DNA methyltransferases. Chembiochem. 12, 206–222.
  5. Bird A. (1999) DNA methylation de novo. Science. 286, 2287–2288.
  6. Gros C., Fahy J., Halby L., Dufau I., Erdmann A., Gregorie J.-M., Ausseil F., Vispé S., Arimondo P.B. (2012) DNA methylation inhibitors in cancer: recent and future approaches. Biochimie. 94, 2280–2296.
  7. Huber T.D., Johnson B.R., Zhang J., Thorson J.S. (2016) AdoMet analog synthesis and utilization: current state of the art. Curr. Opin. Biotechnol. 42, 189–197.
  8. Dalhoff Ch., Lukinavicius G., Klimasauskas S., Weinhold E. (2006) Synthesis of S-adenosyl-L-methionine analogs and their use for sequence-specific transalkylation of DNA by methyltransferases. Nat. Protoc. 1, 1879–1886.
  9. Klimasauskas S., Weinhold E. (2007) A new tool for biotechnology: AdoMet-dependent methyltransferases. Trends Biotechnol. 25, 99–104.
  10. Wijayasinghe Y.S., Blumenthal R.M., Viola R.E. (2014) Producing proficient methyl donors from alternative substrates of S-adenosylmethionine synthetase. Biochemistry. 53, 1521–1526.
  11. Wu J.C., Santi D.V. (1987) Kinetic and catalytic mechanism of HhaI methyltransferase. J. Biol. Chem. 262, 4778–4786.
  12. Klimasauskas S., Kumar S., Roberts R.J., Cheng X. (1994) HhaI methyltransferase flips its target base out of the DNA helix. Cell. 76, 357–369.
  13. Tomkuvienė M., Kriukienė E., Klimašauskas S. (2016) DNA labeling using DNA methyltransferases. DNA methyltransferases – role and function. Adv. Exp. Med. Biol. 945, 511–535.
  14. Сырку В.И., Завалова Л.Л., Хомутов Р.М. (1986) Химическое регулирование S-аденозилметионинзависимых ферментативных реакций фосфорганическими аналогами S-аденозилметионина и S-аденозилгомоцистеина. Биоорган. химия. 12, 839–841.
  15. Хомутов Р.М., Жуков Ю.Н., Хомутов А.Р., Хурс Е.Н., Крамер Д.Л., Миллер Дж.Т., Портер К.В. (2000) Фосфиновый аналог метионина тормозит рост лейкозных клеток L1210 и превращается в фосфиновый аналог S-аденозилметионина. Биоорган. химия. 26, 718–720.
  16. Alferov K.V., Zhukov Yu.N., Khurs E.N., Khomutov R.M. (2003) Stable organophosphorus analogues of S-adenosylmethionine and S-methylmethionine. Mendeleev Commun. 13, 243–244.
  17. Guo X., Söderholm A., Kanchugal P. S., Isaksen G.V., Warsi O., Eckhard U., Trigüis S., Gogoll A., Jerlström-Hultqvist J., Åqvist J., Andersson D.I., Selmer M. (2021) Structure and mechanism of a phage-encoded SAM lyase revises catalytic function of enzyme family. eLife. 10, 1–29.
  18. Жуков Ю.Н., Хомутов А.Р., Осипова Т.И., Хомутов P.M. (1999) Синтез фосфиновых аналогов серосодержащих аминокислот. Изв. АН. Сер. хим. 7, 1360–1363.
  19. Сергеев А.В., Тевяшова А.Н., Воробьев А.П., Громова Е.С. (2019) Влияние противоопухолевого антибиотика оливомицина A и нового полусинтетического производного, оливамида, на функционирование ДНК-метилтрансферазы мыши Dnmt3a. Биохимия. 84, 229–239.
  20. Bradford M.M. (1976) A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein–dye binding. Anal. Biochem. 72, 248–254.
  21. Jia D., Jurkowska R.Z., Zhang X., Jeltsch A., Cheng X. (2007) Structure of Dnmt3a bound to Dnmt3L suggests a model for de novo DNA methylation. Nature. 449, 248–251.
  22. Chen T., Li E. (2004) Structure and function of eukaryotic DNA methyltransferases. Curr. Top. Dev. Biol. 60, 55–89.
  23. Gowher H., Jeltsch A. (2002) Molecular enzymology of the catalytic domains of the Dnmt3a and Dnmt3b DNA methyltransferases. J. Biol. Chem. 277, 20409–20414.
  24. Okano M., Xie S., Li E. (1998) Cloning and characterization of a family of novel mammalian DNA (cytosine-5) methyltransferases. Nat. Genet. 19, 219–220.
  25. Сергеев А.В., Кирсанова О.В., Лойко А.Г., Номероцкая Е.И., Громова Е.С. (2018) Определение степени метилирования ДНК метилтрансферазой Dnmt3a с использованием метилзависимых эндонуклеаз рестрикции. Молекуляр. биология. 52, 318–325.
  26. Lu S.C., Mato J.M. (2012) S-adenosylmethionine in liver health, injury, and cancer. Physiol. Rev. 92. 1515–1542.
  27. Kafarski P. (2020) Phosphonopeptides containing free phosphonic groups: recent advances. RSC Adv. 10, 25898–25910.
  28. Horsman G.P., Zechel D.L. (2017) Phosphonate biochemistry. Chem. Rev. 117, 5704−5783.
  29. Badet B., Inagaki K., Soda K., Walsh C.T. (1986) Time-dependent inhibition of Bacillus stearothermophilus alanine racemase by (1-aminoethyl)phosphonate isomers by isomerization to noncovalent slowly dissociating enzyme-(1-aminoethyl)phosphonate complexes. Biochemistry. 25, 3275–3282.
  30. Steere J.A., Sampson P.B., Honek J.F. (2002) Synthesis of an α-aminophosphonate nucleoside as an inhibitor of S-adenosyl-L-homocysteine hydrolase. Bioorg. Med. Chem. Lett. 12, 457–460.
  31. Laber B., Amrhein N. (1987) Metabolism of 1-aminoethylphosphinate generates acetylphosphinate, a potent inhibitor of pyruvate dehydrogenase. Biochem. J. 248, 351–358.
  32. Хомутов Р.М., Хурс Е.Н., Джавахия В.Г., Воинова Т.М., Ермолинский Б.С. (1987) 1-Aминоэтилфосфонистая кислота – новый ингибитор поликетидного пути биосинтеза природных соединений. Биоорган. химия. 13, 1422–1424.
  33. Bunik V.I., Artiukhov A., Kazantsev A., Goncalves R., Daloso D., Oppermann H., Kulakovskaya E., Lukashev N., Fernie A., Brand M., Gaunitz F. (2015) Specific inhibition by synthetic analogs of pyruvate reveals that the pyruvate dehydrogenase reaction is essential for metabolism and viability of glioblastoma cells. Oncotarget. 6, 40036–40052.
  34. Хурс Е.Н., Осипова Т.И., Хомутов Р.М. (1989) Ферментативное переаминирование фосфорорганических аналогов аспартата и глутамата. Биоорган. химия. 15, 552–555.
  35. Хомутов Р.М., Фалеев Н.Г., Белянкин А.В., Хурс Е.Н., Хомутов А.Р., Перышкова О.Е., Беликов В.М. (1997) 1-Амино-2-(4-гидроксифенил)этилфосфонистая кислота – новый субстрат тирозин-фенол-лиазы. Биоорган. химия. 23, 919–921.
  36. Faleev N.G., Zhukov Yu.N., Khurs E.N., Gogoleva O.I., Barbolina M.V., Bazhulina N.P., Belikov V.M., Demidkina T.V., Khomutov R.M. (2000) Interaction of tyrosine phenol-lyase with phosphoroorganic analogues of substrate amino acids. Eur. J. Biochem. 267, 6897–6902.
  37. De Biase D., Cappadocio F., Pennacchietti E., Giovannercole F., Coluccia A., Vepsäläinen J., Khomutov A. (2020) Enzymatic kinetic resolution of desmethylphosphinothricin indicates that phosphinic group is a bioisostere of carboxyl group. Commun. Chem. 3, 121.
  38. Biryukov A.I., Osipova T.I., Khomutov R.M. (1978) α‑Aminophosphonous acids: the substrates of ATP-PPi exchange reaction, catalysed by aminoacyl-tRNA synthetases. FEBS Lett. 91, 246–248.
  39. Faleev N.G., Alferov K.V., Tsvetikova M.A., Morozova E.A., Revtovich S.V., Khurs E.N., Vorob’ev M.M., Phillips R.S., Demidkina T.V., Khomutov R.M. (2009) Methionine γ-lyase: mechanistic deductions from the kinetic pH-effects. The role of the ionic state of a substrate in the enzymatic activity. Biochim. Biophys. Acta. 1794, 1414–1420.
  40. Alferov K.V., Faleev N.G., Khurs E.N., Zhukov Yu.N., Khomutov R.M. (2002) A phosphinic analogue of methionine is a substrate of L-methionine-γ-lyase and induces the synthesis of the enzyme in Citrobacter intermedius cells. Mendeleev Commun. 12, 2–3.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (98KB)
3.

Download (122KB)
4.

Download (222KB)
5.

Download (82KB)
6.

Download (88KB)
7.

Download (14KB)

Copyright (c) 2023 В.Л. Филонов, М.А. Хомутов, А.В. Сергеев, А.Л. Хандажинская, С.Н. Кочетков, Е.С. Громова, А.Р. Хомутов

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».