Deux des questions non résolues mais importantes en épigénétique sont de savoir si les arginine déméthylases (RDMs) existent et si le clivage protéolytique des queues d’histones et le remodelage ultérieur des histones sont un processus de modification épigénétique majeur. Les protéines contenant le domaine Jumonji (JmjC) ont été caractérisées comme des lysines déméthylases (KDM) dans une certaine mesure (Klose et al., 2006). Des preuves émergentes indiquent qu’elles catalysent également la réaction de déméthylation sur les résidus d’arginine et l’élimination protéolytique des queues d’histones. Ces processus sont probablement associés à des significations biologiques. Ce point fort de la recherche est destiné à fournir une vue d’ensemble de l’état actuel des propriétés biochimiques étendues des protéines contenant JmjC en tant que RDM et enzymes de coupure de queue d’histone dépendantes de la méthylation.

Les protéines contenant JmjC sont une famille d’oxygénases non hèmes dépendantes du fer(II) et du 2-oxoglutarate (2OG ou α-cétoglutarate) avec une structure caractéristique à double brin et à feuillets β antiparallèles. Un exemple de JMJD5 (PDB 4gjy) est présenté dans la figure 1A. Notre alignement structurel tridimensionnel (3D) complet des structures cristallines disponibles de 23 protéines contenant JmjC indique que les résidus asparate/glutamate et deux résidus histone précédemment identifiés coordonnent le cofacteur de fer(II), tandis que deux résidus contenant un cycle aromatique (W, Y ou F) jouent un rôle critique dans la stabilisation du fer(II) et de la poche catalytique avec des interactions π-cation (Figure 1A). La famille a été classée en sept sous-familles sur la base de leurs séquences (Klose et al., 2006). Notre alignement structurel 3D avec la carte thermique TM-score confirme ce regroupement (Figure 1B). Un nouveau membre de la famille, TYW5, qui pourrait correspondre à la sous-famille orpheline, a été identifié au cours de notre récente recherche (Figure 1C). Jusqu’à présent, 22 des 31 membres de la famille ont été signalés comme possédant une activité KDM sur les sites K4, K9, K27 et K36 de l’histone 3 ainsi que sur des substrats non-histones sous forme de mono-, di- et tri-méthylation (Figure 1C). Il est prévisible que l’activité de déméthylation du reste des protéines contenant la JmjC et leur activité sur des substrats supplémentaires seront identifiées dès la disponibilité de technologies telles que les anticorps spécifiques et la spectrométrie de masse sensible. Ces enzymes sont fortement exprimées au cours du développement hématopoïétique et pourraient jouer un rôle important chez les animaux supérieurs et les humains. Actuellement, la grande majorité des fonctions biologiques identifiées des protéines contenant le domaine JmjC sont attribuées à leur activité KDM.

Alors que les méthyltransférases de l’arginine ont été identifiées et que leur fonction dans les cellules a été bien documentée (Yang et Bedford, 2013 ; Fuhrmann et al, 2015), les RDMs n’ont pas encore été identifiées. La protéine 6 contenant le domaine Jmjc (JMJD6) a été précédemment signalée comme une RDM putative pour les substrats d’histone H3 et H4 de la diméthylarginine asymétrique (ADMA) et de la diméthylarginine symétrique (SDMA) (Chang et al., 2007). Cependant, cette fonction a fait l’objet de rapports contradictoires. Deux rapports de suivi ont indiqué que JMJD6 catalyse uniquement l’hydroxylation C-5 dépendante du 2OG des résidus lysine dans les protéines régulatrices de l’épissage de l’ARNm et les histones (Webby et al., 2009 ; Mantri et al., 2010). Plus récemment, une étude a montré que certaines KDMs possèdent une activité RDM sur des substrats modèles de peptides d’histones méthylés (Walport et al., 2016) (Figure 1C). Le mécanisme catalytique des protéines JmjC consiste à catalyser l’hydroxylation des liaisons C-H et la N-déméthylation par hydroxylation (Figure 1D). Le site actif Fe(II) est lié par HXD/E…H et le cofacteur 2OG. En l’absence de substrats, les oxygénases dépendantes du 2OG catalysent souvent une réaction lente et non couplée dans laquelle le 2OG est décarboxylé pour former du succinate, du dioxyde de carbone et un intermédiaire réactif Fe(IV)=O ferryl. L’ajout de substrats dans la réaction stimule considérablement le processus. Cet intermédiaire fer(IV)-oxo oxyde ensuite la liaison C-H et conduit à la formation d’un produit hydroxylé. Si l’hydroxylation a lieu sur le groupe méthyle d’un amidogène, ce processus formera un hémiaminal instable. L’hydroxyméthyle est probablement libéré spontanément sous forme de formaldéhyde, ce qui donne un substrat déméthylé. Ce processus ne permet pas de distinguer la méthylarginine de la méthylysine. L’hydroxylation est une étape intermédiaire de la déméthylation.

Il a été rapporté récemment que deux protéines orphelines contenant JmjC, JMJD5 et JMJD7, ont des activités protéases dépendantes des cations divalents qui clivent préférentiellement les queues d’histone 3 ou 4 contenant de la lysine ou de l’arginine méthylée (Figure 1C). Après le clivage spécifique initial, JMJD5 et JMJD7, agissant comme des aminopeptidases, digèrent progressivement les produits C-terminaux, ce qui constitue une activité peptidase dépendante de la méthylation et également appelée clipping (Liu et al., 2017 ; Shen et al., 2017). Parmi les 23 protéines contenant le domaine JmjC dont les structures cristallines sont connues, la plupart contiennent du Zn2+ en plus du Fe2+, ce qui augmente la possibilité pour les protéines contenant JmjC d’agir comme des métalloprotéases dépendantes du groupe méthyle. Les membres orphelins de la sous-famille tels que JMJD5 n’ont que deux résidus pour coordonner Zn2+, ce qui pourrait être flexible pour la réaction de la peptidase, comme dans les métalloprotéases. En revanche, les membres des sous-familles PHF2/PHF8 et JMJD2/JHDM3 ont quatre résidus pour coordonner Zn2+, qui est rigide, enterré et non accessible au substrat. Pour les sous-familles JARID et UTX/UTY, Zn2+ est éloigné du centre de catalyse du Fe(II), ce qui rend difficile une réaction coordonnée entre la reconnaissance du groupe méthyle et le clippage. D’autres expériences sont justifiées pour tester si le statut de Zn2+ dans les protéines est un facteur déterminant pour un tel clivage. La signification biologique d’une telle réaction n’est pas encore claire mais pourrait être impliquée dans la régulation transcriptionnelle, la réponse aux dommages de l’ADN et l’apoptose afin d’épuiser rapidement les histones et de remodeler la structure de la chromatine pour exposer l’ADN aux réactions nécessaires.