Două dintre întrebările nerezolvate, dar importante în epigenetică, sunt dacă există arginin demethylases (RDM) și dacă scindarea proteolitică a cozilor histonei și remodelarea ulterioară a histonei reprezintă un proces major de modificare epigenetică. Proteinele care conțin domeniul Jumonji (JmjC) au fost caracterizate ca fiind, într-o anumită măsură, demethylases de lizină (KDM) (Klose et al., 2006). Dovezile emergente indică faptul că acestea catalizează, de asemenea, reacția de demetilare a reziduurilor de arginină și eliminarea proteolitică a cozilor de histone. Aceste procese sunt probabil asociate cu semnificații biologice. Această cercetare evidențiată este menită să ofere o privire de ansamblu asupra stadiului actual al proprietăților biochimice extinse ale proteinelor care conțin JmjC ca RDM și enzime de tăiere a cozilor de histone dependente de metilare.

Proteinele care conțin JmjC sunt o familie de oxigenaze dependente de fier(II) și de 2-oxoglutarat (2OG sau α-cetoglutarat) non-haeme, cu o structură caracteristică de foaie β bicatenară și antiparalelă. Un exemplu de JMJD5 (PDB 4gjy) este prezentat în figura 1A. Alinierea noastră structurală tridimensională (3D) cuprinzătoare a structurilor cristaline disponibile ale celor 23 de proteine care conțin JmjC indică faptul că asparatul/glutamatul identificat anterior și două reziduuri histone coordonează cofactorul fier(II), în timp ce două reziduuri care conțin inele aromatice (W, Y sau F) joacă un rol critic în stabilizarea atât a fierului(II), cât și a buzunarului catalitic cu interacțiuni cu cationi π (figura 1A). Familia a fost clasificată în șapte subfamilii pe baza secvențelor lor (Klose et al., 2006). Alinierea noastră structurală 3D cu harta termică TM-score confirmă o astfel de grupare (Figura 1B). Un nou membru al familiei, TYW5, care se poate încadra în subfamilia orfană, a fost identificat în timpul căutărilor noastre recente (Figura 1C). Până în prezent, 22 din cei 31 de membri ai familiei au fost raportați ca având o activitate KDM pe situsurile K4, K9, K27 și K36 ale histonei 3, precum și pe substraturi nehistonice în forme de mono-, di- și tri-metilare (Figura 1C). Este previzibil că activitatea de demetilare a celorlalte proteine care conțin JmjC și activitatea lor pe substraturi suplimentare vor fi identificate odată cu disponibilitatea unor tehnologii precum anticorpii specifici și spectrometria de masă sensibilă. Enzimele sunt puternic exprimate în timpul dezvoltării hematopoietice și pot juca un rol important la animalele superioare și la om. În prezent, marea majoritate a funcțiilor biologice identificate ale proteinelor care conțin JmjC sunt atribuite activității lor KDM.

În timp ce arginina metil transferazele au fost identificate și funcția lor în celule a fost bine documentată (Yang și Bedford, 2013; Fuhrmann et al, 2015), RDM-urile nu au fost încă identificate. Jmjc domain-containing 6 (JMJD6) a fost raportat anterior ca un RDM putativ pentru substraturile histonice H3 și H4 ale dimetilargininei asimetrice (ADMA) și ale dimetilargininei simetrice (SDMA) (Chang et al., 2007). Cu toate acestea, această funcție a fost supusă unor rapoarte contradictorii. Două rapoarte ulterioare au indicat că JMJD6 catalizează doar hidroxilarea C-5 dependentă de 2OG a reziduurilor de lizină din proteinele de reglare a splicingului ARNm și histone (Webby et al., 2009; Mantri et al., 2010). Mai recent, un studiu a arătat că anumite KDM-uri posedă activitate RDM pe substraturi model de peptide histonice metilate (Walport et al., 2016) (Figura 1C) (Figura 1C). Mecanismul catalitic pentru proteinele JmjC este catalizarea hidroxilării legăturilor C-H și a N-demetilării prin hidroxilare (Figura 1D). Situl activ Fe(II) este legat de HXD/E…H și de cofactorul 2OG. În absența substraturilor, oxigenazele dependente de 2OG catalizează adesea o reacție lentă, decuplabilă, în care 2OG este decarboxilat pentru a forma succinat, dioxid de carbon și un intermediar reactiv Fe(IV)=O ferryl. Adăugarea de substraturi în reacție va stimula dramatic procesul. Acest intermediar fier(IV)-oxo oxo oxidează apoi legătura C-H și duce la formarea unui produs hidroxilat. Dacă hidroxilarea are loc pe gruparea metil de pe un amidogen, acest proces va forma un hemiaminal instabil. Este probabil ca hidroximetilul să fie eliberat spontan sub formă de formaldehidă, rezultând un substrat demetilat. Procesul nu discriminează metilarginina de metilizină. Hidroxilarea este o etapă intermediară a demetilării.

S-a raportat recent că două proteine orfane care conțin JmjC, JMJD5 și JMJD7, au activități proteazice dependente de cationi divalenți care clivează în mod preferențial cozile histonei 3 sau 4 care conțin lizină sau arginină metilată (figura 1C). După clivarea specifică inițială, JMJD5 și JMJD7, acționând ca aminopeptidaze, digeră progresiv produsele C-terminale, ceea ce reprezintă o activitate de peptidază dependentă de metilare și denumită și clipare (Liu et al., 2017; Shen et al., 2017). Dintre cele 23 de proteine care conțin domeniul JmjC cu structuri cristaline, cele mai multe dintre ele conțin Zn2+ pe lângă Fe2+, ceea ce crește posibilitatea ca proteinele care conțin JmjC să acționeze ca metaloproteaze dependente de gruparea metil. Membrii subfamiliei orfane, cum ar fi JMJD5, au doar două reziduuri pentru a coordona Zn2+, care ar putea fi flexibile pentru reacția peptidazei, în mod similar cu cele din metaloproteaze. În schimb, membrii din subfamiliile PHF2/PHF8 și JMJD2/JHDM3 au patru reziduuri pentru a coordona Zn2+, care este rigid, îngropat și nu este accesibil substratului. În cazul subfamiliilor JARID și UTX/UTY, Zn2+ este departe de centrul de cataliză Fe(II), ceea ce îngreunează o reacție coordonată între recunoașterea grupării metil și tăierea. Experimente suplimentare sunt justificate pentru a testa dacă statutul de Zn2+ în proteine este un factor determinant pentru o astfel de clivare. Semnificația biologică a unei astfel de reacții nu este încă clară, dar ar putea fi implicată în reglarea transcripțională, răspunsul la deteriorarea ADN-ului și apoptoza pentru a epuiza rapid histonele și a remodela structura cromatinei pentru a expune ADN-ul pentru reacțiile necesare.

.