Dwa z nierozwikłanych, ale ważnych pytań w epigenetyce to, czy istniej± demetazy argininy (RDM) oraz czy proteolityczne rozszczepianie ogonów histonów i następuj±ca po tym przebudowa histonów s± głównym procesem modyfikacji epigenetycznej. Białka zawierające domenę Jumonji (JmjC) zostały scharakteryzowane jako demetylazy lizyny (KDM) w pewnym stopniu (Klose i in., 2006). Pojawiaj±ce się informacje wskazuj±, że katalizuj± one również reakcję demetylacji reszt argininowych oraz proteolityczne usuwanie ogonów histonowych. Procesy te są prawdopodobnie związane z biologicznymi znaczeniami. Niniejsze opracowanie ma na celu przedstawienie aktualnego stanu wiedzy na temat właściwości biochemicznych białek zawierających JmjC jako enzymów RDM i zależnych od metylacji enzymów obcinających ogony histonów.

Białka zawierające JmjC to rodzina niehemowych oksygenaz zależnych od żelaza(II) i 2-oksoglutaranu (2OG lub α-ketoglutaranu) o charakterystycznej dwuniciowej i antyrównoległej strukturze arkusza β. Przykład JMJD5 (PDB 4gjy) jest przedstawiony na Rysunku 1A. Nasze kompleksowe, trójwymiarowe (3D) dopasowanie dostępnych struktur krystalicznych 23 białek zawierających JmjC wskazuje, że zidentyfikowane wcześniej reszty asparate/glutaminian i dwie reszty histonowe koordynują kofaktor żelazowy(II), podczas gdy dwie reszty zawierające pierścienie aromatyczne (W, Y lub F) odgrywają krytyczną rolę w stabilizacji zarówno żelaza(II), jak i kieszeni katalitycznej za pomocą oddziaływań π-kationowych (Rysunek 1A). Rodzina ta została podzielona na siedem podrodzin na podstawie ich sekwencji (Klose i in., 2006). Nasze dopasowanie strukturalne 3D z mapą cieplną TM-score potwierdza to zgrupowanie (Rysunek 1B). Podczas naszych ostatnich poszukiwań zidentyfikowaliśmy nowego członka rodziny, TYW5, który może pasować do podrodziny sierocej (Rysunek 1C). Jak dotąd, 22 z 31 członków rodziny wykazało aktywność KDM na miejscach K4, K9, K27 i K36 histonu 3, jak również na substratach niehistonowych w formie mono-, di- i trimetylacji (Rysunek 1C). Przewiduje się, że aktywność demetylacyjna reszty białek zawierających JmjC i ich aktywność na dodatkowych substratach zostanie zidentyfikowana po udostępnieniu technologii takich jak specyficzne przeciwciała i czuła spektrometria mas. Enzymy te wykazuj± wysok± ekspresję podczas rozwoju układu krwiotwórczego i mog± odgrywać ważn± rolę u zwierz±t wyższych i ludzi. Obecnie zdecydowana większość zidentyfikowanych funkcji biologicznych białek zawierających JmjC przypisywana jest ich aktywności KDM.

Pomimo że metylotransferazy argininy zostały zidentyfikowane, a ich funkcja w komórkach dobrze udokumentowana (Yang i Bedford, 2013; Fuhrmann i in., 2015), RDM nie zostały do tej pory zidentyfikowane. Domena Jmjc-containing 6 (JMJD6) została wcześniej zgłoszona jako przypuszczalny RDM dla asymetrycznej dimetyloargininy (ADMA) i symetrycznej dimetyloargininy (SDMA) substratów histonowych H3 i H4 (Chang i wsp., 2007). Funkcja ta była jednak przedmiotem sprzecznych doniesień. Dwa kolejne doniesienia wskazywały, że JMJD6 katalizuje jedynie zależną od 2OG hydroksylację C-5 reszt lizyny w białkach regulujących splicing mRNA i histonach (Webby i in., 2009; Mantri i in., 2010). Ostatnio w jednym z badań wykazano, że niektóre KDM posiadają aktywność RDM na modelowych substratach metylowanych peptydów histonowych (Walport i wsp., 2016) (Rysunek 1C). Mechanizm katalityczny dla białek JmjC polega na katalizowaniu hydroksylacji wiązań C-H oraz N-demetylacji poprzez hydroksylację (Rysunek 1D). Miejsce aktywne Fe(II) jest związane przez HXD/E…H i kofaktor 2OG. W przypadku braku substratów, oksygenazy zależne od 2OG często katalizują powolną, niesprzężoną reakcję, w której 2OG jest dekarboksylowany do postaci bursztynianu, dwutlenku węgla i reaktywnego intermediatu Fe(IV)=O ferrylu. Dodanie substratów w reakcji gwałtownie stymuluje proces. Pośrednie żelazo(IV)-oxo utlenia następnie wiązanie C-H i prowadzi do powstania hydroksylowanego produktu. Jeśli hydroksylacja zachodzi na grupie metylowej amidogenu, proces ten spowoduje powstanie niestabilnego hemiaminalu. Hydroksymetyl jest prawdopodobnie spontanicznie uwalniany w postaci formaldehydu, w wyniku czego powstaje demetylowany substrat. Proces ten nie powoduje rozróżnienia metyloargininy od metylizyny. Hydroksylacja jest pośrednim etapem demetylacji.

Doniesiono ostatnio, że dwa sieroce białka zawierające JmjC, JMJD5 i JMJD7, mają zależną od kationów dwuwartościowych aktywność proteaz, które preferencyjnie rozszczepiają ogony histonów 3 lub 4 zawierające metylowaną lizynę lub argininę (Figura 1C). Po początkowym specyficznym rozszczepieniu, JMJD5 i JMJD7, działając jako aminopeptydazy, stopniowo trawią produkty C-końcowe, co jest aktywnością peptydaz zależną od metylacji i określaną również jako clipping (Liu i in., 2017; Shen i in., 2017). Wśród 23 białek zawierających domenę JmjC posiadających struktury krystaliczne, większość z nich zawiera Zn2+ obok Fe2+, co zwiększa możliwość działania białek zawierających JmjC jako metaloproteaz zależnych od grupy metylowej. Członkowie podrodziny sierocej, tacy jak JMJD5, mają tylko dwie reszty koordynujące Zn2+, które mogą być elastyczne dla reakcji peptydazowej, podobnie jak w przypadku metaloproteaz. Z kolei członkowie podrodzin PHF2/PHF8 i JMJD2/JHDM3 mają cztery reszty koordynujące Zn2+, które są sztywne, zakopane i niedostępne dla substratu. W przypadku podrodzin JARID i UTX/UTY, Zn2+ znajduje się daleko od centrum katalitycznego Fe(II), co utrudnia skoordynowaną reakcję pomiędzy rozpoznawaniem grupy metylowej a obcinaniem. Konieczne jest przeprowadzenie dalszych eksperymentów w celu sprawdzenia, czy status Zn2+ w białkach jest czynnikiem determinującym tego typu rozszczepienie. Biologiczne znaczenie takiej reakcji nie jest jeszcze jasne, ale może być zaangażowana w regulację transkrypcji, odpowiedź na uszkodzenia DNA i apoptozę w celu szybkiego wyczerpania histonów i przemodelowania struktury chromatyny, aby odsłonić DNA dla niezbędnych reakcji.