Två av de olösta men viktiga frågorna inom epigenetiken är huruvida arginin-demetyleringar (RDM:er) existerar och huruvida proteolytisk klyvning av histonstjärtarna och efterföljande histonremodellering är en viktig epigenetisk modifieringsprocess. Proteiner som innehåller Jumonji-domänen (JmjC) har i viss utsträckning karakteriserats som lysin-demetylaser (KDM) (Klose et al., 2006). Nya bevis tyder på att de också katalyserar demetyleringsreaktioner på argininrester och proteolytiskt avlägsnande av histonstjärtar. Dessa processer är sannolikt förknippade med biologiska betydelser. Denna forskningshöjdpunkt är avsedd att ge ett fågelperspektiv på det aktuella läget när det gäller de utökade biokemiska egenskaperna hos JmjC-innehållande proteiner som RDM:er och metyleringsberoende histonstjärtklippningsenzymer.
JmjC-innehållande proteiner är en familj av icke-hemma järn(II)- och 2-oxoglutarat-(2OG eller α-ketoglutarat)-beroende oxygenaser med en karakteristisk dubbelsträngad och antiparallellel β-bladstruktur. Ett exempel på JMJD5 (PDB 4gjy) visas i figur 1A. Vår omfattande tredimensionella (3D) strukturella anpassning av tillgängliga kristallstrukturer av 23 JmjC-innehållande proteiner visar att tidigare identifierade asparat/glutamat- och två histonrester koordinerar järn(II)-kofaktorn, medan två aromatiska ringinnehållande rester (W, Y eller F) spelar en kritisk roll för att stabilisera både järn(II) och den katalytiska fickan med π-kationsinteraktioner (figur 1A). Familjen har klassificerats i sju underfamiljer baserat på deras sekvenser (Klose et al., 2006). Vår 3D-strukturella anpassning med TM-score-värmekarta bekräftar en sådan klusterindelning (figur 1B). En ny familjemedlem, TYW5, som kan passa in i den föräldralösa underfamiljen har identifierats under vår senaste sökning (figur 1C). Hittills har 22 av 31 familjemedlemmar rapporterats ha en KDM-aktivitet på platserna K4, K9, K27 och K36 i histon 3 samt icke-histonsubstrat i mono-, di- och tri-metyleringsformer (figur 1C). Det är förutsägbart att demetyleringsaktiviteten hos resten av JmjC-innehållande proteiner och deras aktivitet på ytterligare substrat kommer att identifieras när tekniker som specifika antikroppar och känslig masspektrometri blir tillgängliga. Enzymerna uttrycks i hög grad under den hematopoetiska utvecklingen och kan spela en viktig roll hos högre djur och människor. För närvarande tillskrivs den stora majoriteten av de identifierade biologiska funktionerna hos de JmjC-innehållande proteinerna deras KDM-aktivitet.
Strukturlikhet, biokemiska aktiviteter och katalytisk mekanism hos JmjC-domäninnehållande proteinfamiljen. (A) 3D-struktur som avbildar polypeptidryggraden för JmjC-domänen av JMJD5 (PDB 4gjy) och rester som krävs för järnbindning. (B) Strukturell likhetsvärmekarta för JmjC-proteiner baserat på TM-score. Den maximala TM-score används för att jämföra proteinstrukturens likhet. (C) Biokemiska aktiviteter hos JmjC-proteiner. +, oxygenasaktivitet har påvisats. (D) Scheman som visar den katalytiska mekanismen för lysin/arginin-demetylering som förmedlas av JmjC-proteiner, inklusive stegen för hydroxylering av C-H-bindningen och demetylering av N-metylgruppen, via C-hydroxylering, följt av fragmentering av en hemiaminal intermediär.
Strukturlikhet, biokemiska aktiviteter och katalytisk mekanism hos JmjC-domäninnehållande proteinfamiljen. (A) 3D-struktur som avbildar polypeptidryggraden för JmjC-domänen av JMJD5 (PDB 4gjy) och rester som krävs för järnbindning. (B) Strukturell likhetsvärmekarta för JmjC-proteiner baserat på TM-score. Den maximala TM-score används för att jämföra proteinstrukturens likhet. (C) Biokemiska aktiviteter hos JmjC-proteiner. +, oxygenasaktivitet har påvisats. (D) Scheman som visar den katalytiska mekanismen för lysin/arginin-demetylering medierad av JmjC-proteiner, inklusive stegen för hydroxylering av C-H-bindningen och demetylering av N-metylgruppen, via C-hydroxylering, följt av fragmentering av en hemiaminal intermediär.
Medan argininmetyltransferaser har identifierats och deras funktion i cellerna har varit väldokumenterad (Yang och Bedford, 2013; Fuhrmann et al, 2015), har RDMs ännu inte identifierats. Jmjc domain-containing 6 (JMJD6) rapporterades tidigare som en förmodad RDM för asymmetriskt dimetylarginin (ADMA) och symmetriskt dimetylarginin (SDMA) histonsubstrat H3 och H4 (Chang et al., 2007). Denna funktion har dock varit föremål för motstridiga rapporter. Två uppföljningsrapporter visade att JMJD6 endast katalyserar 2OG-beroende C-5 hydroxylering av lysinrester i mRNA-splicing-regulatoriska proteiner och histoner (Webby et al., 2009; Mantri et al., 2010). Nyligen visade en studie att vissa KDM:er har RDM-aktivitet på metylerade histonpeptidmodellsubstrat (Walport et al., 2016) (figur 1C). Den katalytiska mekanismen för JmjC-proteiner katalyserar hydroxylering av C-H-bindningar och N-demetylering via hydroxylering (figur 1D). Den aktiva platsen Fe(II) är bunden av HXD/E…H och kofaktorn 2OG. I avsaknad av substrat katalyserar 2OG-beroende oxygenaser ofta en långsam, okopplad reaktion där 2OG dekarboxyleras för att bilda succinat, koldioxid och en reaktiv Fe(IV)=O ferrylintermediat. Tillsats av substrat i reaktionen stimulerar processen dramatiskt. Denna järn(IV)-oxo-intermediär oxiderar sedan C-H-bindningen och leder till att en hydroxylerad produkt bildas. Om hydroxyleringen sker på metylgruppen på en amidogen kommer denna process att bilda en instabil hemiaminal. Hydroxymetylen frigörs sannolikt spontant som formaldehyd, vilket resulterar i ett demetylerat substrat. Processen skiljer inte metylarginin från methylysin. Hydroxylering är ett mellansteg i demetyleringen.
Det har nyligen rapporterats att två föräldralösa JmjC-innehållande proteiner, JMJD5 och JMJD7, har tvåvärt katjonberoende proteasaktiviteter som företrädesvis klyver svansarna av histon 3 eller 4 som innehåller metylerat lysin eller arginin (figur 1C). Efter den första specifika klyvningen smälter JMJD5 och JMJD7, som agerar som aminopeptidaser, successivt de C-terminala produkterna, vilket är en metyleringsberoende peptidasaktivitet och även benämns som clipping (Liu et al., 2017; Shen et al., 2017). Bland 23 JmjC-domäninnehållande proteiner med kristallstrukturer innehåller de flesta av dem Zn2+ förutom Fe2+, vilket ökar möjligheten för JmjC-innehållande proteiner att fungera som metylgruppsberoende metalloproteaser. De föräldralösa medlemmarna i underfamiljen, t.ex. JMJD5, har endast två rester för att koordinera Zn2+, vilket skulle kunna vara flexibelt för peptidasreaktion, på samma sätt som i metalloproteaser. Däremot har medlemmarna i underfamiljerna PHF2/PHF8 och JMJD2/JHDM3 fyra rester för att koordinera Zn2+, som är stela, begravda och inte tillgängliga för substratet. För underfamiljerna JARID och UTX/UTY är Zn2+ långt borta från Fe(II)-katalyscentret, vilket försvårar en samordnad reaktion mellan metylgruppsigenkänning och klippning. Ytterligare experiment är motiverade för att testa om Zn2+ -statusen i proteiner är en avgörande faktor för en sådan klyvning. Den biologiska betydelsen av en sådan reaktion är ännu inte klarlagd, men skulle kunna vara involverad i transkriptionsreglering, DNA-skadereaktion och apoptos för att snabbt tömma histonerna och remodellera kromatinstrukturen för att exponera DNA för de nödvändiga reaktionerna.
,
,
,
,
,
, et al. . (
).
.
,
–
.
,
,
,
, och
,
(
).
.
,
–
.
,
,
,
, och
,
(
).
.
,
–
.
,
,
,
,
,
, et al. . (
).
.
,
–
.
,
,
,
,
,
, et al. . (
).
.
,
–
.
,
,
,
,
,
, et al. . (
).
.
,
–
.
,
,
,
,
,
, et al. . (
).
.
,
.
,
,
,
,
,
, et al. . (
).
.
,
–
.
,
, och
,
(
).
.
,
–
.
.