Az epigenetika két megoldatlan, de fontos kérdése, hogy léteznek-e arginin demetilázok (RDM), és hogy a hisztonfarok proteolitikus hasítása és az azt követő hiszton remodellezés fontos epigenetikai módosító folyamat-e. Az epigenetika egyik legfontosabb folyamata. A Jumonji domén (JmjC) tartalmú fehérjéket bizonyos mértékben lizin demetilázokként (KDM) jellemezték (Klose és mtsai., 2006). Újabb bizonyítékok arra utalnak, hogy az arginin-maradványok demetilációs reakcióját és a hisztonfarok proteolitikus eltávolítását is katalizálják. Ezek a folyamatok valószínűleg biológiai jelentéssel bírnak. Ez a kutatási kiemelés a JmjC-tartalmú fehérjék, mint RDM-ek és metilációfüggő hisztonfarok-levágó enzimek kibővített biokémiai tulajdonságainak jelenlegi állapotáról kíván madártávlatból képet adni.

A JmjC-tartalmú fehérjék egy családja a nem-hem vas(II)- és 2-oxoglutarát (2OG vagy α-ketoglutarát)-függő oxigenázoknak, amelyek jellegzetes kettős szálú és antiparallel β-lap szerkezetűek. A JMJD5 (PDB 4gjy) példája az 1A ábrán látható. A 23 JmjC-tartalmú fehérje rendelkezésre álló kristályszerkezeteinek átfogó háromdimenziós (3D) szerkezeti összehangolása azt mutatja, hogy a korábban azonosított aszparát/glutamát és két hisztonmaradék koordinálja a vas(II)kofaktort, míg két aromás gyűrűt tartalmazó maradék (W, Y vagy F) kritikus szerepet játszik mind a vas(II), mind a katalitikus zseb π-kation kölcsönhatásokkal történő stabilizálásában (1A ábra). A családot szekvenciájuk alapján hét alcsaládba sorolták (Klose és mtsai., 2006). A TM-score hőtérképes 3D szerkezeti összehangolásunk megerősíti ezt a klaszterezést (1B ábra). Egy új családtagot, a TYW5-öt, amely az árva alcsaládba illeszkedhet, azonosítottunk a közelmúltban végzett keresésünk során (1C ábra). Eddig a 31 családtagból 22-ről jelentették, hogy KDM-aktivitással rendelkezik a hiszton 3 K4, K9, K27 és K36 helyein, valamint nem hiszton szubsztrátokon mono-, di- és tri-metilációs formában (1C ábra). Előre látható, hogy a többi JmjC-tartalmú fehérje demetilációs aktivitását és további szubsztrátokon való aktivitását a technológiák, például a specifikus antitestek és az érzékeny tömegspektrometria rendelkezésre állását követően azonosítani fogjuk. Az enzimek nagymértékben expresszálódnak a vérképzőszervi fejlődés során, és fontos szerepet játszhatnak a magasabb rendű állatokban és az emberben. Jelenleg a JmjC-tartalmú fehérjék azonosított biológiai funkcióinak túlnyomó többsége a KDM-aktivitásuknak tulajdonítható.

Míg az arginin-metil transzferázokat azonosították és sejtekben való működésüket jól dokumentálták (Yang és Bedford, 2013; Fuhrmann et al, 2015), az RDM-eket még nem azonosították. A Jmjc domént tartalmazó 6-ról (JMJD6) korábban az aszimmetrikus dimetilarginin (ADMA) és a szimmetrikus dimetilarginin (SDMA) H3 és H4 hiszton szubsztrátok feltételezett RDM-jeként számoltak be (Chang és mtsai., 2007). Erről a funkcióról azonban ellentmondásos jelentések születtek. Két követő jelentés szerint a JMJD6 csak az mRNS-splicing-szabályozó fehérjék és a hisztonok lizinmaradványainak 2OG-függő C-5 hidroxilációját katalizálja (Webby és mtsai., 2009; Mantri és mtsai., 2010). Nemrégiben egy tanulmány kimutatta, hogy bizonyos KDM-ek rendelkeznek RDM aktivitással metilált hiszton peptid modell szubsztrátokon (Walport és mtsai., 2016) (1C ábra). A JmjC fehérjék katalitikus mechanizmusa a C-H kötések hidroxilálását és az N-demetilálást hidroxilálással katalizálják (1D ábra). Az aktív centrum Fe(II) HXD/E…H és kofaktor 2OG kötődik. Szubsztrát hiányában a 2OG-függő oxigenázok gyakran lassú, nem kapcsolt reakciót katalizálnak, amelyben a 2OG dekarboxilálódik szukcinát, szén-dioxid és egy reaktív Fe(IV)=O ferril intermedier képződésére. A szubsztrátok hozzáadása a reakcióban drámaian serkenti a folyamatot. Ez a vas(IV)-oxo- intermedier ezután oxidálja a C-H kötést, és egy hidroxilált termék képződéséhez vezet. Ha a hidroxilálás egy amidogén metilcsoportján történik, akkor ez a folyamat instabil hemiaminált képez. A hidroximetil valószínűleg spontán formaldehidként szabadul fel, ami egy demetilezett szubsztrátot eredményez. A folyamat nem különbözteti meg a metilarginint a metilizintől. A hidroxilálás a demetilálás köztes lépése.

A közelmúltban jelentették, hogy két árva JmjC-tartalmú fehérje, a JMJD5 és a JMJD7 kétértékű kationfüggő proteáz aktivitással rendelkezik, amelyek előnyösen hasítják a hiszton 3 vagy 4 metilált lizint vagy arginint tartalmazó farkát (1C ábra). A kezdeti specifikus hasítás után a JMJD5 és a JMJD7 aminopeptidázként viselkedve fokozatosan emésztik a C-terminális termékeket, ami egy metilációfüggő peptidáz aktivitás, és clippelésnek is nevezik (Liu et al., 2017; Shen et al., 2017). A 23 kristályszerkezettel rendelkező JmjC domén-tartalmú fehérje közül a legtöbb Fe2+ mellett Zn2+-t is tartalmaz, ami növeli annak lehetőségét, hogy a JmjC-tartalmú fehérjék metilcsoport-függő metalloproteázként működnek. Az árva alcsalád tagjai, mint például a JMJD5, csak két maradékkal rendelkeznek a Zn2+ koordinálására, ami a metalloproteázokhoz hasonlóan rugalmas lehet a peptidáz reakcióhoz. Ezzel szemben a PHF2/PHF8 és a JMJD2/JHDM3 alcsalád tagjai négy maradékkal rendelkeznek a Zn2+ koordinálásához, ami merev, eltemetett és a szubsztrát számára nem hozzáférhető. A JARID és UTX/UTY alcsaládok esetében a Zn2+ messze van a Fe(II) katalízisközponttól, ami megnehezíti a metilcsoport felismerése és a klipszelés közötti koordinált reakciót. További kísérletek indokoltak annak vizsgálatára, hogy a fehérjékben lévő Zn2+ státusza meghatározó tényező-e az ilyen hasítás szempontjából. Egy ilyen reakció biológiai jelentősége még nem világos, de részt vehet a transzkripciós szabályozásban, a DNS-károsodásra adott válaszban és az apoptózisban, hogy gyorsan leépítse a hisztonokat és átalakítsa a kromatin szerkezetét, hogy a DNS-t a szükséges reakciók számára hozzáférhetővé tegye.