Duas questões não resolvidas mas importantes na epigenética são se existem desmetilases de arginina (RDMs) e se a clivagem proteolítica das caudas do histone e a subsequente remodelação do histone são um importante processo de modificação epigenética. As proteínas contendo domínio Jumonji (JmjC) têm sido caracterizadas como demetilases de lisina (KDMs) em certo grau (Klose et al., 2006). Evidências emergentes indicam que elas também catalisam a reação de desmetilação nos resíduos de arginina e remoção proteolítica das caudas de histone. Estes processos estão provavelmente associados a significados biológicos. O objetivo desta pesquisa é fornecer uma visão do estado atual das propriedades bioquímicas expandidas das proteínas contendo JmjC como RDMs e enzimas de corte de cauda dependente de metilação.

As proteínas contendo JmjC são uma família de ferro não-heme(II) e 2-oxoglutarato (2OG ou α-ketoglutarate)-oxigenases dependentes com uma estrutura característica de dupla cadeia e antiparalela da folha β. Um exemplo de JMJD5 (PDB 4gjy) é mostrado na Figura 1A. Nosso abrangente alinhamento estrutural tridimensional (3D) das estruturas cristalinas disponíveis de 23 proteínas contendo JmjC indica que asparato/glutamato previamente identificados e dois resíduos histônicos coordenam o co-fator ferro(II), enquanto dois resíduos aromáticos contendo anel (W, Y ou F) desempenham um papel crítico na estabilização tanto do ferro(II) quanto da bolsa catalítica com interações de cauda π (Figura 1A). A família foi classificada em sete subfamílias com base em suas sequências (Klose et al., 2006). Nosso alinhamento estrutural 3D com o mapa de calor do TM-score confirma tal agrupamento (Figura 1B). Um novo membro da família, TYW5, que pode caber na subfamília órfã, foi identificado durante a nossa recente pesquisa (Figura 1C). Até agora, 22 dos 31 membros da família foram reportados como possuindo uma actividade KDM nos locais K4, K9, K27 e K36 do histone 3, bem como substratos não-históricos nas formas de mono, di- e tri-metilação (Figura 1C). É previsível que a atividade de desmetilação do resto das proteínas contendo JmjC e sua atividade em substratos adicionais será identificada com a disponibilidade de tecnologias como anticorpos específicos e espectrometria de massa sensível. As enzimas são altamente expressas durante o desenvolvimento hematopoiético e podem desempenhar um papel importante em animais superiores e humanos. Atualmente, a grande maioria das funções biológicas identificadas das proteínas contendo JmjC são atribuídas à sua atividade KDM.

Alginina metil transferases foi identificada e sua função nas células foi bem documentada (Yang e Bedford, 2013; Fuhrmann et al, 2015), os RDMs ainda não foram identificados. Jmjc contendo 6 domínios (JMJD6) foi previamente reportado como um suposto RDM para dimetilarginina assimétrica (ADMA) e dimetilarginina simétrica (SDMA) substratos H3 e H4 (Chang et al., 2007). Entretanto, esta função foi sujeita a relatórios conflitantes. Dois relatórios de acompanhamento indicaram que o JMJD6 apenas catalisa a hidroxilação C-5 dependente de 2OG de resíduos de lisina em emendas de mRNA – proteínas e histonas regulamentares (Webby et al., 2009; Mantri et al., 2010). Mais recentemente, um estudo mostrou que certos KDMs possuem atividade de RDM em substratos do modelo de peptídeo histoneto metilado (Walport et al., 2016) (Figura 1C). O mecanismo catalítico das proteínas JmjC é a hidroxilação catalítica das ligações C-H e N-demetilação via hidroxilação (Figura 1D). O local ativo Fe(II) é ligado por HXD/E…H e co-fator 2OG. Na ausência de substratos, as oxigenases dependentes do 2OG frequentemente catalisam uma reação lenta e desacoplada na qual o 2OG é descarboxilado para formar succinato, dióxido de carbono e um intermediário de Fe(IV)=O ferryl reativo. A adição de substratos na reação irá estimular dramaticamente o processo. Este intermediário ferro(IV)-oxo então oxida a ligação C-H e leva à formação de um produto hidroxilado. Se a hidroxilação acontece no grupo metilo sobre um amidogênio, este processo formará um hemiaminal instável. O hidroximetil é provavelmente liberado espontaneamente como formaldeído, resultando em um substrato desmetilado. O processo não discrimina a metilarginina da metil-rolisina. A hidroxilação é um passo intermediário da desmetilação.

Foi relatado recentemente que duas proteínas órfãs contendo JmjC, JMJD5 e JMJD7, possuem atividades proteases dependentes de catiões divalentes que, preferencialmente, clivam as caudas da histona 3 ou 4 contendo lisina metilada ou arginina (Figura 1C). Após a clivagem inicial específica, JMJD5 e JMJD7, atuando como aminopeptidases, digerem progressivamente os produtos terminais C, que é uma atividade de peptidase dependente de metilação e também denominada clipping (Liu et al., 2017; Shen et al., 2017). Entre 23 proteínas contendo JmjC com estrutura cristalina, a maioria delas contém Zn2+ além de Fe2+, o que aumenta a possibilidade das proteínas contendo JmjC atuarem como metaloproteases dependentes do grupo metilo. Os membros órfãos da subfamília como o JMJD5 possuem apenas dois resíduos para coordenar Zn2+, que poderiam ser flexíveis para a reação de peptidase, de forma semelhante aos das metaloproteases. Em contrapartida, os membros das subfamílias PHF2/PHF8 e JMJD2/JHDM3 possuem quatro resíduos para coordenar Zn2+, que é rígido, enterrado e não acessível ao substrato. Para as subfamílias JARID e UTX/UTY, a Zn2+ está longe do centro de catálise Fe(II), o que dificulta uma reação coordenada entre o reconhecimento do grupo metilo e a clipagem. Outras experiências são necessárias para testar se o status de Zn2+ em proteínas é um fator determinante para tal clivagem. O significado biológico de tal reação ainda não está claro, mas pode estar envolvido na regulação transcripcional, na resposta aos danos do DNA e na apoptose, a fim de esgotar rapidamente os histones e remodelar a estrutura da cromatina para expor o DNA para as reações necessárias.