Dvě z nevyřešených, ale důležitých otázek v epigenetice jsou, zda existují argininové demetylázy (RDM) a zda je proteolytické štěpení histonových chvostů a následná remodelace histonu hlavním procesem epigenetické modifikace. Proteiny obsahující doménu Jumonji (JmjC) byly do jisté míry charakterizovány jako lyzinové demetylázy (KDM) (Klose et al., 2006). Objevující se důkazy naznačují, že katalyzují také demetylační reakci na argininových zbytcích a proteolytické odstraňování histonových chvostů. Tyto procesy jsou pravděpodobně spojeny s biologickým významem. Cílem tohoto upozornění na výzkum je poskytnout pohled z ptačí perspektivy na současný stav rozšířených biochemických vlastností proteinů obsahujících JmjC jako RDM a enzymů závislých na methylaci histonových ocásků.

Bílkoviny obsahující JmjC jsou rodinou nehemových železo(II) a 2-oxoglutarát (2OG nebo α-ketoglutarát) závislých oxygenáz s charakteristickou dvouvláknovou a antiparalelní β-listovou strukturou. Příklad JMJD5 (PDB 4gjy) je uveden na obrázku 1A. Naše komplexní trojrozměrné (3D) strukturní zarovnání dostupných krystalových struktur 23 proteinů obsahujících JmjC ukazuje, že dříve identifikované asparátové/glutamátové a dva histonové zbytky koordinují kofaktor železa(II), zatímco dva aromatické zbytky obsahující kruhy (W, Y nebo F) hrají rozhodující roli při stabilizaci železa(II) i katalytické kapsy pomocí π-kationtových interakcí (obr. 1A). Rodina byla na základě sekvencí rozdělena do sedmi podrodin (Klose et al., 2006). Naše 3D strukturní zarovnání s tepelnou mapou TM-skóre toto seskupení potvrzuje (obr. 1B). Během našeho nedávného hledání byl identifikován nový člen rodiny, TYW5, který by mohl patřit do sirotčí podrodiny (Obrázek 1C). Dosud bylo zjištěno, že 22 z 31 členů rodiny má KDM aktivitu na místech K4, K9, K27 a K36 histonu 3 a také na nehistonových substrátech v mono-, di- a trimetylační formě (obrázek 1C). Lze předpokládat, že demetylační aktivita ostatních proteinů obsahujících JmjC a jejich aktivita na dalších substrátech bude identifikována po zpřístupnění technologií, jako jsou specifické protilátky a citlivá hmotnostní spektrometrie. Tyto enzymy jsou vysoce exprimovány během vývoje krvetvorby a mohou hrát důležitou roli u vyšších živočichů a člověka. V současné době se naprostá většina identifikovaných biologických funkcí proteinů obsahujících doménu JmjC připisuje jejich aktivitě KDM.

Přestože byly identifikovány argininmetyltransferázy a jejich funkce v buňkách byla dobře zdokumentována (Yang a Bedford, 2013; Fuhrmann et al., 2015), RDM dosud identifikovány nebyly. Doména 6 obsahující Jmjc (JMJD6) byla dříve popsána jako předpokládaná RDM pro substráty histonů H3 a H4 asymetrický dimethylarginin (ADMA) a symetrický dimethylarginin (SDMA) (Chang et al., 2007). Tato funkce však byla předmětem rozporuplných zpráv. Dvě následné zprávy naznačily, že JMJD6 katalyzuje pouze 2OG-dependentní C-5 hydroxylaci lysinových zbytků v proteinech regulujících sestřih mRNA a histonech (Webby et al., 2009; Mantri et al., 2010). Nedávno studie ukázala, že některé KDM mají RDM aktivitu na metylovaných modelových substrátech histonových peptidů (Walport et al., 2016) (obr. 1C). Katalytický mechanismus proteinů JmjC spočívá v katalýze hydroxylace vazeb C-H a N-demetylace prostřednictvím hydroxylace (obr. 1D). V aktivním místě Fe(II) je vázán HXD/E…H a kofaktor 2OG. Za nepřítomnosti substrátů 2OG-dependentní oxygenázy často katalyzují pomalou, nespojitou reakci, při níž se 2OG dekarboxyluje za vzniku sukcinátu, oxidu uhličitého a reaktivního meziproduktu Fe(IV)=O ferryl. Přidání substrátů v reakci dramaticky stimuluje proces. Tento železo(IV)-oxo meziprodukt pak oxiduje vazbu C-H a vede ke vzniku hydroxylovaného produktu. Pokud k hydroxylaci dojde na methylové skupině na amidogenu, vznikne při tomto procesu nestabilní hemiamin. Hydroxymethyl se pravděpodobně spontánně uvolní jako formaldehyd, čímž vznikne demethylovaný substrát. Tento proces nerozlišuje methylarginin od methylysinu. Hydroxylace je mezistupněm demetylace.

Nedávno bylo oznámeno, že dva sirotčí proteiny obsahující JmjC, JMJD5 a JMJD7, mají proteázové aktivity závislé na dvojmocných kationtech, které přednostně štěpí ocasy histonu 3 nebo 4 obsahující metylovaný lysin nebo arginin (obr. 1C). Po počátečním specifickém štěpení JMJD5 a JMJD7, které působí jako aminopeptidázy, postupně štěpí C-koncové produkty, což je peptidázová aktivita závislá na metylaci a označovaná také jako clipping (Liu et al., 2017; Shen et al., 2017). Mezi 23 proteiny obsahujícími doménu JmjC s krystalovou strukturou většina z nich obsahuje kromě Fe2+ také Zn2+, což zvyšuje možnost, že proteiny obsahující JmjC působí jako metaloproteázy závislé na metylové skupině. Sirotčí členové podrodiny, jako je JMJD5, mají pouze dva zbytky pro koordinaci Zn2+, které by mohly být flexibilní pro peptidázovou reakci, podobně jako u metaloproteáz. Naproti tomu členové podrodin PHF2/PHF8 a JMJD2/JHDM3 mají čtyři zbytky pro koordinaci Zn2+, které jsou rigidní, pohřbené a nepřístupné substrátu. U podrodin JARID a UTX/UTY je Zn2+ daleko od katalytického centra Fe(II), což ztěžuje koordinovanou reakci mezi rozpoznáním methylové skupiny a klipováním. Další experimenty by měly ověřit, zda je stav Zn2+ v proteinech určujícím faktorem pro takové štěpení. Biologický význam takové reakce zatím není jasný, ale mohla by se podílet na regulaci transkripce, odpovědi na poškození DNA a apoptóze s cílem rychle vyčerpat histony a remodelovat strukturu chromatinu, aby se DNA vystavila potřebným reakcím.

.