Twee van de onopgeloste maar belangrijke vragen in de epigenetica zijn of arginine demethylases (RDMs) bestaan en of proteolytische splitsing van de histon staarten en daaropvolgende histon hermodellering een belangrijk epigenetisch modificatieproces zijn. Jumonji domein (JmjC)-bevattende eiwitten zijn in zekere mate gekarakteriseerd als lysine demethylases (KDMs) (Klose et al., 2006). Nieuwe aanwijzingen wijzen erop dat zij ook demethyleringsreactie op de arginineresiduen en proteolytische verwijdering van histonstaarten katalyseren. Deze processen zijn waarschijnlijk geassocieerd met biologische betekenissen. Dit onderzoeksaccent is bedoeld om in vogelvlucht een beeld te geven van de huidige stand van zaken met betrekking tot de uitgebreide biochemische eigenschappen van JmjC-bevattende eiwitten als RDM’s en methyleringsafhankelijke histonstaartsnij-enzymen.
De JmjC-bevattende eiwitten zijn een familie van niet-haem ijzer(II) en 2-oxoglutaraat (2OG of α-ketoglutaraat)-afhankelijke oxygenases met een karakteristieke dubbelstrengs en antiparallelle β-sheet structuur. Een voorbeeld van JMJD5 (PDB 4gjy) is te zien in figuur 1A. Onze uitgebreide driedimensionale (3D) structurele uitlijning van beschikbare kristalstructuren van 23 JmjC-bevattende eiwitten geeft aan dat eerder geïdentificeerde asparaat/glutamaat en twee histonresiduen de ijzer(II)-cofactor coördineren, terwijl twee aromatische ring-bevattende residuen (W, Y, of F) een cruciale rol spelen in het stabiliseren van zowel ijzer(II) als de katalytische pocket met π-kation interacties (figuur 1A). De familie is geclassificeerd in zeven subfamilies op basis van hun sequenties (Klose et al., 2006). Onze 3D structurele uitlijning met TM-score heatmap bevestigt deze clustering (figuur 1B). Een nieuw familielid, TYW5, die kan passen in de orphan subfamilie is geïdentificeerd tijdens onze recente zoektocht (figuur 1C). Tot nu toe is van 22 van de 31 familieleden bekend dat ze een KDM activiteit bezitten op de plaatsen K4, K9, K27 en K36 van histon 3 en op niet-histon substraten in mono-, di- en tri-methyleringsvormen (figuur 1C). Het is voorspelbaar dat de demethyleringsactiviteit van de rest van de JmjC-bevattende eiwitten en hun activiteit op aanvullende substraten zullen worden geïdentificeerd zodra technologieën zoals specifieke antilichamen en gevoelige massaspectrometrie beschikbaar komen. De enzymen komen tot expressie tijdens de hematopoietische ontwikkeling en kunnen een belangrijke rol spelen bij hogere dieren en de mens. Momenteel wordt de overgrote meerderheid van de geïdentificeerde biologische functies van de JmjC-bevattende eiwitten toegeschreven aan hun KDM-activiteit.
Gelijkenis in structuur, biochemische activiteiten en katalytisch mechanisme van de JmjC-domein-bevattende eiwitfamilie. (A) 3D-structuur met de polypeptide-backbone van het JmjC-domein van JMJD5 (PDB 4gjy) en de residuen die nodig zijn voor ijzerbinding. (B) Structureel gelijkenis heatmap voor JmjC eiwitten gebaseerd op TM-score. De maximale TM-score wordt gebruikt om de structuurgelijkenis van eiwitten te vergelijken. (C) Biochemische activiteiten van JmjC-eiwitten. +, oxygenase activiteit is gedetecteerd. (D) Schema’s met het katalytische mechanisme van lysine/arginine demethylering, gemedieerd door JmjC-eiwitten, inclusief de stappen voor hydroxylering van de C-H-binding en demethylering van de N-methylgroep, via C-hydroxylering, gevolgd door de fragmentatie van een hemiaminaal intermediair.
Gelijkenis in structuur, biochemische activiteiten en katalytisch mechanisme van de JmjC-domein-bevattende eiwitfamilie. (A) 3D-structuur met de polypeptide-backbone van het JmjC-domein van JMJD5 (PDB 4gjy) en de residuen die nodig zijn voor ijzerbinding. (B) Structureel gelijkenis heatmap voor JmjC eiwitten gebaseerd op TM-score. De maximale TM-score wordt gebruikt om de structuurgelijkenis van eiwitten te vergelijken. (C) Biochemische activiteiten van JmjC-eiwitten. +, oxygenase activiteit is gedetecteerd. (D) Schema’s met het katalytische mechanisme van lysine/arginine demethylering gemedieerd door JmjC-eiwitten, inclusief de stappen voor hydroxylering van de C-H-binding en N-methylgroep demethylering, via C-hydroxylering, gevolgd door de fragmentatie van een hemiaminaal tussenproduct.
Terwijl arginine-methyltransferases zijn geïdentificeerd en hun functie in cellen goed zijn gedocumenteerd (Yang en Bedford, 2013; Fuhrmann et al., 2015), zijn RDM’s nog niet geïdentificeerd. Jmjc domain-containing 6 (JMJD6) werd eerder gerapporteerd als een putatieve RDM voor asymmetrisch dimethylarginine (ADMA) en symmetrisch dimethylarginine (SDMA) histon-substraten H3 en H4 (Chang et al., 2007). Over deze functie zijn echter tegenstrijdige rapporten verschenen. Twee vervolgrapporten gaven aan dat JMJD6 alleen 2OG-afhankelijke C-5 hydroxylering van lysineresiduen in mRNA splicing-regulerende eiwitten en histonen katalyseert (Webby et al., 2009; Mantri et al., 2010). Meer recent toonde een studie aan dat bepaalde KDM’s RDM-activiteit bezitten op gemethyleerde histonpeptide modelsubstraten (Walport et al., 2016) (figuur 1C). Het katalytische mechanisme voor JmjC-eiwitten is het katalyseren van hydroxylering van C-H-bindingen en N-demethylering via hydroxylering (figuur 1D). Het actieve gebied Fe(II) wordt gebonden door HXD/E…H en cofactor 2OG. In afwezigheid van substraten katalyseren 2OG-afhankelijke oxygenases vaak een langzame, ongekoppelde reactie waarbij 2OG wordt gedecarboxyleerd tot succinaat, kooldioxide en een reactief Fe(IV)=O ferryl intermediair. Toevoeging van substraten in de reactie zal het proces dramatisch stimuleren. Dit ijzer(IV)-oxo-tussenproduct oxideert vervolgens de C-H-binding en leidt tot de vorming van een gehydroxyleerd product. Als de hydroxylering plaatsvindt op een methylgroep op een amidogeen, zal dit proces een instabiele hemiaminaal vormen. De hydroxymethyl komt waarschijnlijk spontaan vrij als formaldehyde, wat resulteert in een gedemethyleerd substraat. Het proces maakt geen onderscheid tussen methylarginine en methylysine. Hydroxylering is een tussenstap van demethylering.
Onlangs is gerapporteerd dat twee wees JmjC-bevattende eiwitten, JMJD5 en JMJD7, tweewaardige kation-afhankelijke protease-activiteiten hebben die bij voorkeur de staarten van histon 3 of 4 met gemethyleerd lysine of arginine klieven (figuur 1C). Na de initiële specifieke splitsing, verteren JMJD5 en JMJD7, handelend als aminopeptidasen, geleidelijk de C-terminale producten, wat een methyleringsafhankelijke peptidase-activiteit is en ook wel clipping wordt genoemd (Liu et al., 2017; Shen et al., 2017). Van de 23 JmjC-domein-bevattende eiwitten met kristalstructuren bevatten de meeste naast Fe2+ ook Zn2+, wat de mogelijkheid vergroot dat JmjC-bevattende eiwitten fungeren als methylgroep-afhankelijke metalloproteasen. De wees subfamilieleden zoals JMJD5 hebben slechts twee residuen om Zn2+ te coördineren, wat flexibel zou kunnen zijn voor peptidase reactie, vergelijkbaar met die in metalloproteasen. De leden van de PHF2/PHF8 en JMJD2/JHDM3 subfamilies hebben daarentegen vier residuen voor de coördinatie van Zn2+, dat star, begraven en niet toegankelijk voor het substraat is. Voor de JARID en UTX/UTY subfamilies is Zn2+ ver verwijderd van het Fe(II) katalysecentrum, wat het moeilijk maakt voor een gecoördineerde reactie tussen methylgroepherkenning en clipping. Verdere experimenten zijn gerechtvaardigd om te testen of de status van Zn2+ in eiwitten een bepalende factor is voor zo’n klieving. De biologische betekenis van een dergelijke reactie is nog niet duidelijk, maar zou betrokken kunnen zijn bij transcriptieregulatie, DNA-schaderespons en apoptose om de histonen snel uit te putten en de chromatinestructuur te hermodelleren om het DNA bloot te stellen voor de noodzakelijke reacties.
,
,
,
,
,
, et al. (
).
.
,
–
.
,
,
,
, en
,
(
).
.
,
–
.
,
,
,
, en
,
(
).
.
,
–
.
,
,
,
,
,
, et al. . (
).
.
,
–
.
,
,
,
,
,
, et al. . (
).
.
,
–
.
,
,
,
,
,
, et al. . (
).
.
,
–
.
,
,
,
,
,
, et al. . (
).
.
,
.
,
,
,
,
,
, et al. . (
).
.
,
–
.
,
, en
,
(
).
.
,
–
.