Zwei der ungelösten, aber wichtigen Fragen in der Epigenetik sind, ob es Arginin-Demethylasen (RDMs) gibt und ob die proteolytische Spaltung der Histonschwänze und der anschließende Histon-Umbau ein wichtiger epigenetischer Modifikationsprozess sind. Jumonji-Domäne (JmjC)-haltige Proteine sind in gewissem Maße als Lysin-Demethylasen (KDMs) charakterisiert worden (Klose et al., 2006). Neue Erkenntnisse deuten darauf hin, dass sie auch die Demethylierungsreaktion an den Argininresten und die proteolytische Entfernung der Histonschwänze katalysieren. Diese Prozesse sind wahrscheinlich mit biologischen Bedeutungen verbunden. Dieses Forschungshighlight soll einen Überblick über den aktuellen Stand der erweiterten biochemischen Eigenschaften von JmjC-haltigen Proteinen als RDMs und methylierungsabhängige Histonschwanzabschneideenzyme geben.

Die JmjC-haltigen Proteine sind eine Familie von nicht-Häm-Eisen(II)- und 2-Oxoglutarat (2OG oder α-Ketoglutarat)-abhängigen Oxygenasen mit einer charakteristischen doppelsträngigen und antiparallelen β-Sheet-Struktur. Ein Beispiel von JMJD5 (PDB 4gjy) ist in Abbildung 1A dargestellt. Unsere umfassende dreidimensionale (3D) Strukturausrichtung der verfügbaren Kristallstrukturen von 23 JmjC-haltigen Proteinen zeigt, dass zuvor identifizierte Asparat/Glutamat- und zwei Histonreste den Eisen(II)-Cofaktor koordinieren, während zwei aromatische ringhaltige Reste (W, Y oder F) eine entscheidende Rolle bei der Stabilisierung sowohl von Eisen(II) als auch der katalytischen Tasche mit π-Kationen-Interaktionen spielen (Abbildung 1A). Die Familie wurde auf der Grundlage ihrer Sequenzen in sieben Unterfamilien eingeteilt (Klose et al., 2006). Unser 3D-Strukturalignment mit TM-Score-Heatmap bestätigt diese Clusterbildung (Abbildung 1B). Ein neues Familienmitglied, TYW5, das möglicherweise zur Unterfamilie der Waisen gehört, wurde während unserer jüngsten Suche identifiziert (Abbildung 1C). Bislang wurde von 22 der 31 Familienmitglieder berichtet, dass sie eine KDM-Aktivität an den Stellen K4, K9, K27 und K36 von Histon 3 sowie an Nicht-Histonsubstraten in Mono-, Di- und Tri-Methylierungsformen besitzen (Abbildung 1C). Es ist absehbar, dass die Demethylierungsaktivität der übrigen JmjC-haltigen Proteine und ihre Aktivität bei weiteren Substraten identifiziert werden, sobald Technologien wie spezifische Antikörper und empfindliche Massenspektrometrie zur Verfügung stehen. Die Enzyme werden während der hämatopoetischen Entwicklung stark exprimiert und spielen möglicherweise eine wichtige Rolle in höheren Tieren und beim Menschen. Derzeit wird die überwiegende Mehrheit der identifizierten biologischen Funktionen der JmjC-haltigen Proteine ihrer KDM-Aktivität zugeschrieben.

Während Arginin-Methyltransferasen identifiziert wurden und ihre Funktion in Zellen gut dokumentiert ist (Yang und Bedford, 2013; Fuhrmann et al., 2015), sind RDMs noch nicht identifiziert worden. Jmjc domain-containing 6 (JMJD6) wurde zuvor als mutmaßliche RDM für asymmetrisches Dimethylarginin (ADMA) und symmetrisches Dimethylarginin (SDMA) der Histonsubstrate H3 und H4 beschrieben (Chang et al., 2007). Über diese Funktion gab es jedoch widersprüchliche Berichte. Zwei Folgeberichte wiesen darauf hin, dass JMJD6 nur die 2OG-abhängige C-5-Hydroxylierung von Lysinresten in mRNA-Splicing-regulierenden Proteinen und Histonen katalysiert (Webby et al., 2009; Mantri et al., 2010). Kürzlich wurde in einer Studie gezeigt, dass bestimmte KDMs eine RDM-Aktivität an methylierten Histonpeptidmodellsubstraten besitzen (Walport et al., 2016) (Abbildung 1C). Der katalytische Mechanismus für JmjC-Proteine ist die Katalyse der Hydroxylierung von C-H-Bindungen und der N-Demethylierung über Hydroxylierung (Abbildung 1D). Das Fe(II) im aktiven Zentrum wird durch HXD/E…H und den Cofaktor 2OG gebunden. In Abwesenheit von Substraten katalysieren 2OG-abhängige Oxygenasen oft eine langsame, ungekoppelte Reaktion, bei der 2OG decarboxyliert wird und Succinat, Kohlendioxid und ein reaktives Fe(IV)=O-Ferryl-Zwischenprodukt bildet. Die Zugabe von Substraten in der Reaktion stimuliert den Prozess dramatisch. Dieses Eisen(IV)-Oxo-Zwischenprodukt oxidiert dann die C-H-Bindung und führt zur Bildung eines hydroxylierten Produkts. Erfolgt die Hydroxylierung an der Methylgruppe eines Amidogens, so bildet dieser Prozess ein instabiles Hemiaminal. Das Hydroxymethyl wird wahrscheinlich spontan als Formaldehyd freigesetzt, was zu einem demethylierten Substrat führt. Bei diesem Prozess wird nicht zwischen Methylarginin und Methylysin unterschieden. Die Hydroxylierung ist ein Zwischenschritt der Demethylierung.

Vor kurzem wurde berichtet, dass zwei JmjC-enthaltende Waisenproteine, JMJD5 und JMJD7, von zweiwertigen Kationen abhängige Proteaseaktivitäten besitzen, die vorzugsweise die Schwänze von Histon 3 oder 4 spalten, die methyliertes Lysin oder Arginin enthalten (Abbildung 1C). Nach der anfänglichen spezifischen Spaltung verdauen JMJD5 und JMJD7 als Aminopeptidasen nach und nach die C-terminalen Produkte, was eine methylierungsabhängige Peptidaseaktivität ist und auch als Clipping bezeichnet wird (Liu et al., 2017; Shen et al., 2017). Von den 23 JmjC-Domänen-enthaltenden Proteinen mit Kristallstrukturen enthalten die meisten neben Fe2+ auch Zn2+, was die Möglichkeit erhöht, dass JmjC-enthaltende Proteine als methylgruppenabhängige Metalloproteasen wirken. Die Mitglieder der verwaisten Unterfamilie, wie z. B. JMJD5, haben nur zwei Reste zur Koordinierung von Zn2+, die ähnlich wie bei den Metalloproteasen für die Peptidase-Reaktion flexibel sein könnten. Im Gegensatz dazu haben die Mitglieder der Unterfamilien PHF2/PHF8 und JMJD2/JHDM3 vier Reste zur Koordinierung von Zn2+, die starr, vergraben und für das Substrat nicht zugänglich sind. Bei den Unterfamilien JARID und UTX/UTY ist Zn2+ weit vom Fe(II)-Katalysezentrum entfernt, was eine koordinierte Reaktion zwischen Methylgruppenerkennung und Clipping erschwert. Weitere Experimente sind erforderlich, um zu prüfen, ob der Status von Zn2+ in Proteinen ein entscheidender Faktor für eine solche Spaltung ist. Die biologische Bedeutung einer solchen Reaktion ist noch nicht klar, könnte aber bei der Transkriptionsregulierung, der DNA-Schadensreaktion und der Apoptose eine Rolle spielen, um die Histone schnell abzubauen und die Chromatinstruktur umzugestalten, um die DNA für die notwendigen Reaktionen freizulegen.

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