Dos de las cuestiones no resueltas pero importantes en epigenética son si las desmetilasas de arginina (RDMs) existen y si la escisión proteolítica de las colas de las histonas y la subsiguiente remodelación de las mismas son un importante proceso de modificación epigenética. Las proteínas que contienen el dominio Jumonji (JmjC) se han caracterizado como desmetilasas de lisina (KDMs) en cierto grado (Klose et al., 2006). Las nuevas evidencias indican que también catalizan la reacción de desmetilación en los residuos de arginina y la eliminación proteolítica de las colas de las histonas. Estos procesos están probablemente asociados a significados biológicos. Esta investigación destacada pretende ofrecer una visión general del estado actual de las propiedades bioquímicas ampliadas de las proteínas que contienen JmjC como RDMs y enzimas de recorte de colas de histonas dependientes de metilación.

Las proteínas que contienen JmjC son una familia de oxigenasas dependientes de hierro(II) y 2-oxoglutarato (2OG o α-cetoglutarato) no hémicas con una estructura de hoja β característica de doble cadena y antiparalela. En la Figura 1A se muestra un ejemplo de JMJD5 (PDB 4gjy). Nuestro exhaustivo alineamiento estructural tridimensional (3D) de las estructuras cristalinas disponibles de 23 proteínas que contienen JmjC indica que los residuos de asparato/glutamato y dos residuos de histona previamente identificados coordinan el cofactor de hierro(II), mientras que dos residuos que contienen anillos aromáticos (W, Y o F) desempeñan un papel crítico en la estabilización tanto del hierro(II) como del bolsillo catalítico con interacciones π-cationes (Figura 1A). La familia se ha clasificado en siete subfamilias basadas en sus secuencias (Klose et al., 2006). Nuestro alineamiento estructural en 3D con el mapa de calor TM-score confirma dicha agrupación (Figura 1B). Un nuevo miembro de la familia, TYW5, que podría encajar en la subfamilia huérfana ha sido identificado durante nuestra reciente búsqueda (Figura 1C). Hasta ahora, se ha informado de que 22 de los 31 miembros de la familia poseen una actividad KDM en los sitios K4, K9, K27 y K36 de la histona 3, así como en sustratos no histónicos en formas de mono, di y trimetilación (Figura 1C). Es previsible que la actividad de desmetilación del resto de las proteínas que contienen JmjC y su actividad sobre sustratos adicionales se identifique cuando se disponga de tecnologías como anticuerpos específicos y espectrometría de masas sensible. Las enzimas se expresan en gran medida durante el desarrollo hematopoyético y pueden desempeñar un papel importante en animales superiores y en el ser humano. Actualmente, la gran mayoría de las funciones biológicas identificadas de las proteínas que contienen JmjC se atribuyen a su actividad KDM.

Mientras que las arginina metil transferasas han sido identificadas y su función en las células ha sido bien documentada (Yang y Bedford, 2013; Fuhrmann et al., 2015), aún no se han identificado las RDM. La Jmjc domain-containing 6 (JMJD6) fue reportada previamente como una RDM putativa para la dimetilarginina asimétrica (ADMA) y la dimetilarginina simétrica (SDMA) sustratos de las histonas H3 y H4 (Chang et al., 2007). Sin embargo, esta función fue objeto de informes contradictorios. Dos informes posteriores indicaron que JMJD6 solo cataliza la hidroxilación C-5 dependiente de 2OG de residuos de lisina en proteínas reguladoras del empalme de ARNm e histonas (Webby et al., 2009; Mantri et al., 2010). Más recientemente, un estudio demostró que ciertas KDMs poseen actividad RDM en sustratos modelo de péptidos de histonas metiladas (Walport et al., 2016) (Figura 1C). El mecanismo catalítico de las proteínas JmjC consiste en catalizar la hidroxilación de los enlaces C-H y la N-desmetilación por hidroxilación (Figura 1D). El Fe(II) del sitio activo está unido por HXD/E…H y el cofactor 2OG. En ausencia de sustratos, las oxigenasas dependientes de 2OG suelen catalizar una reacción lenta y desacoplada en la que el 2OG se descarboxila para formar succinato, dióxido de carbono y un intermedio reactivo Fe(IV)=O ferril. La adición de sustratos en la reacción estimulará drásticamente el proceso. Este intermedio hierro(IV)-oxo oxida entonces el enlace C-H y conduce a la formación de un producto hidroxilado. Si la hidroxilación ocurre en el grupo metilo de un amidógeno, este proceso formará un hemiaminal inestable. Es probable que el hidroximetilo se libere espontáneamente como formaldehído, dando lugar a un sustrato desmetilado. El proceso no discrimina la metilarginina de la metilisina. La hidroxilación es un paso intermedio de la desmetilación.

Recientemente se ha informado de que dos proteínas huérfanas que contienen JmjC, JMJD5 y JMJD7, tienen actividades de proteasas dependientes de cationes divalentes que escinden preferentemente las colas de las histonas 3 o 4 que contienen lisina o arginina metiladas (Figura 1C). Después de la escisión específica inicial, JMJD5 y JMJD7, actuando como aminopeptidasas, digieren progresivamente los productos C-terminales, que es una actividad de peptidasa dependiente de la metilación y también se denomina recorte (Liu et al., 2017; Shen et al., 2017). Entre las 23 proteínas que contienen dominios JmjC con estructuras cristalinas, la mayoría de ellas contienen Zn2+ además de Fe2+, lo que aumenta la posibilidad de que las proteínas que contienen JmjC actúen como metaloproteasas dependientes del grupo metilo. Los miembros huérfanos de la subfamilia, como JMJD5, sólo tienen dos residuos para coordinar el Zn2+, que podrían ser flexibles para la reacción de la peptidasa, de forma similar a los de las metaloproteasas. En cambio, los miembros de las subfamilias PHF2/PHF8 y JMJD2/JHDM3 tienen cuatro residuos para coordinar el Zn2+, que es rígido, está enterrado y no es accesible al sustrato. Para las subfamilias JARID y UTX/UTY, el Zn2+ está lejos del centro de catálisis del Fe(II), lo que dificulta una reacción coordinada entre el reconocimiento del grupo metilo y el recorte. Se justifica la realización de más experimentos para comprobar si el estado del Zn2+ en las proteínas es un factor determinante para tal escisión. El significado biológico de tal reacción no está claro todavía, pero podría estar implicado en la regulación transcripcional, la respuesta al daño del ADN y la apoptosis para agotar rápidamente las histonas y remodelar la estructura de la cromatina para exponer el ADN a las reacciones necesarias.