Базовая единица хроматина состоит из 146 п.н. ДНК, обернутых вокруг гистоновго октамера, который состоит из двух копий каждого из 4-х основных гистонов: H2A, H2B, H3 и H4. Ковалентные модификации стержневых гистонов модулируют функцию генома путем внесения дополнительной эпигенетической информации. Одной из таких модификаций является мети лирование, которое затрагивает остатки arginine и lysine и участвует в регуляции широкго круга процессов. включая активность генов, структуру хроматина, дозовую компенсацию и эпигенетическую память (rev. Ref. 1).
Идентификация и характеристика histone methyltransferases дала основу знаниям об эффектах метилирования определенных гистонов на функцию хроматина. В целом метилирование лизина (K) в H3K9, H3K27 и H4K20 ассоциировало с областями транскрипционно молчащего хроматина, в то время как мети лирование по H3K4, H3K36 и H3K79 ассоциировало с транскрипционно активными областями1. Более детальное понимание метилирования гистонов сделало эти корреляции менее очевидными, т.к. мети лирование H3K9 было обнаружено в транскрипционно активных генах2 , а метилирование H3K36 действительно репрессровало инициацию внутригенной транскрипции3. Функциональные следствия систем метилирования гистонов, по-видимому, связаны с белками, которые распознают определенные метки метилирования и осуществляют функциональные эффекты на окружающий хроматин. Напр., с помощью HP1 (heterochromatin protein 1), который распознает метилирование H3K9 и обеспечивает транскрипционное молчание в окружающем хроматине4,5. Более того, состояние метилирования (mono-, di- или trimethylation), модифицирующее остатки ли зина, может в некоторых случаях, диктовать какие эффекторные белки будут эффективно распознавать метилированный хроматин. Напр., BPTF (bromodomain PHD-finger transcription factor) белковый компонент NURF (nucleosome-remodelling factor) хроматин-ремоделирующего комплекса использует свой PHD (plant homeodomain), чтобы специфически нацелить NURF комплекс на регионы. содержащие гистоновый H3K4\, модифицированный в trimethyl состояние6. Специфичность этого NURF targeting модуля важна для регуляции экспрессии генов Hox во время развития, указывая тем самым. что состояние метилирования гистонов помимо места модификации лизна является важным для предопределения функционального исхода этой эпигенетической модификации.
До недавнего времени было неясно, способны ли энзимы противодействовать метилированию гистонов. Три самостоятельных класса таки х энзимов было охарактеризовано (Fig. 1). PADI4 (Petidylarginine deiminase 4) был идентифицирован первым; он функционирует в качестве histone deiminase, которая превращает methyl-arginine в citrulline в качестве противовеса прямому обратимому метилированию аргинина7,8. Хотя PADI4 обладает ясной ролью в противодействии methyl-arginine модификациям, он не может строго рассматриваться как histone demethylase, т.к. он продуцирует citrulline вместо немодифицированного аргинина. LSD1 (Lysine specific demethylase 1) явилась членом основателем второго класса энзимов. которые непосредственно обращают гистоновые H3K4 или H3K9 модификации с помощью реакции oxidative demethylation, при которой flavin является кофактором9,10. Полная ферментативная активность LSD1 нуждается в её ассоциации с др. белками, такими как CoREST (restin corepressor) комплекс. указывая тем самым. что регуляторные субъединицы могут играть роль в модуляции demethylase активности11,12. Третий и наиболее крупный класс demethylase энзимов содержит Jumonji C (JmjC) домен и катализирует деметилирование лизина в гистонах посредством оксидативной реакции, которая нуждается в железе Fe(II) и alpha-ketoglutarate (alphaKG) в качестве кофакторов13. В отличие от LSD1, которая может удалять только mono- и dimethyl модификации лизина, JmjC-домен-содержащие histone demethylases (JHDMs) могут удалять все три состояния метилирования лизина в гистонах. Так было показано, что JHDMs обращают H3K36 (JHDM1) (Ref. 13), H3K9 (JHDM2A) (Ref. 14) и H3K9 и H3K36 (JHDM3 and JMJD2A–D) метилирование15-18. Учитывая, что метилирование гистонов играет важную роль в развитии и вносит вклад в клеточные аномалии, наблюдаемые при раке, вполне возможно, что гистоновые деметилазы регулируют разнообразные наборы клеточных процессов. В согласии с этой точкой зрения, JHDM2A ассоциирует с androgen рецептором и является важной для деметилирования H3K9 во время лиганд-зависмой активации генов, чувствительных к андрогену14. JHDM3 и JMJD2 H3K9 и H3K36 деметилазы регулируют экспрессию генов16-18 и необходимы для пролиферативной способности специфических раковых клеточных линий17.
Здесь анализируются эволюционные взаимоотношения между Jumonji C (JmjC)-домен-содержащими белками и обсуждаются их клеточные функции в связи с их потенциальными ферментативными активностями.
Concluding remarks
Most histone lysine methylation is mediated by a large family of methyltransferase enzymes that contain an enzymatic SET domain1.However, it was only in 2000 that the widespread importance of the SET domain was discovered92. Since then, there has been an exponential growth in our understanding of how histone methylation contributes to chromatin function through the regulation of gene activity, chromatin structure, dosage compensation and epigenetic memory1. With the identification of enzymes that antagonize histone methylation7, 8, 9, 13, we are on the cusp of another rapid advancement in our understanding. Although it is clear that not all JmjC-domain-containing proteins are functional enzymes, our analysis suggests that many of these proteins satisfy cofactor-binding requirements and seem to be excellent candidates for histone or non-histone protein demethylases. The specific roles of individual protein demethylases in normal cellular function remain to be shown, but it is clear that histone methylation can be dynamically regulated in a manner that is analogous to acetylation or phosphorylation.
Here we have analysed 98 non-redundant JmjC-domain proteins from yeast, worms, flies, mice and humans. This analysis has allowed us to categorize this extensive family of proteins into seven groups based on the JmjC-domain homology and full-length protein domain architecture (Fig. 3). By defining JmjC-protein groups that include the relevant orthologues from commonly studied model organisms, we clarify the evolutionary relationship between members of this protein family and provide a resource that will benefit future functional analyses of JmjC-domain proteins. Furthermore, by highlighting proteins with potential enzymatic activity, and speculating on their possible substrates, we provide a focus for further enzymatic characterization. The JHDMs (JHDM1, JHDM2 and JHDM3/JMJD2) identified so far each contain multiple enzymatically active homologues in mice and humans, all with a similar substrate specificity. This indicates that, despite the large number of JmjC-domain proteins found in the human (30) and mouse (30) genomes, individual JmjC-protein groups might represent proteins that are differentially expressed, or have different chromatin-targeting mechanisms, but retain the same substrate specificity. It remains to be determined if this trend will continue as other JmjC-protein groups are characterized and novel enzymes are identified, but if so, this will certainly limit the potential for this class of enzymes to regulate the full range of histone methylation sites and individual modification states.
Enzymes that contain SET domains, much like JmjC-domain proteins, fall into defined protein families, some of which have redundant modification-site specificity93. The characterized SET-domain proteins that have activity towards H3K9 (Suv39H1/2, ESET, RIZ, G9A and GLP1) and H3K36 (NSD1 (Ref. 1) and HYPB94) seem to use unique targeting mechanisms and result in the accumulation of different final modification states. Similar to the number and complexity of SET-domain enzymes that modify H3K9 and H3K36, the JmjC-domain-containing enzymes that counteract H3K9 (JHDM2A–C and JHDM3A–F) and H3K36 (JHMD1A–B and JHMD3A–F) methylation consist of multiple related proteins with unique specificity towards either the di- or trimethyl modification states. This observation suggests that the level of complexity within the histone methylation system might, in part, define the corresponding number and complexity of demethylase enzymes that antagonize these modifications. If this hypothesis holds true, an expanded modification/demodification system might have evolved in higher eukaryotes owing to the requirement for increased complexity in the mechanisms of targeting and regulating histone methylation at specific genomic loci. Of the characterized mammalian histone methyltransferase enzymes, only one is thought to be responsible for H3K27 methylation (EZH2), and one for H3K79 methylation (DOT1L). Given the reduced complexity in the methyltransferase enzymes that place these marks, it will be interesting to determine whether single enzymes are also responsible for H3K27 and H3K79 demethylation.
Following the identification of histone demethylase enzymes, the role of histone demethylation in normal cellular function is now being explored. So far, histone demethylases have been shown to counteract histone modifications that oppose the transcription state of a given gene, and to remove histone modifications during the transition from one transcriptional state to another7, 8, 9, 13, 15, 16, 17, 18. With the availability of new information from genome-wide histone-modification profiling and studies of the dynamics of histone methylation patterns, avenues through which to explore how histone demethylases contribute to cellular function are becoming clear. Of particular interest is the recent observation that EZH2, a PcG-group H3K27 methyltransferase, functions in maintaining the undifferentiated state of embryonic stem (ES) cells95, 96. When ES cells are induced to differentiate, a series of genes that contain H3K27 methylation, and are normally silenced, become activated concomitant with loss of H3K27 methylation96. It will be important to determine whether this reactivation relies on an active demethylation and, if so, to identify the responsible demethylase enzyme(s). Interestingly, JMJD3, a member of the UTX/UTY protein grouping, is upregulated during ES-cell differentiation, providing a possible candidate demethylase for H3K27 methylation96. Insight into how H3K27 methylation is regulated will influence our understanding of how the transition from repressed to active chromatin states is achieved, and provide opportunities to advance therapeutics related to stem-cell technology and cancer treatment. With the constantly expanding repertoire of site-specific histone demethylases, we look forward to determining how these unique enzymes might function in regulating transcription, epigenetic inheritance and cell fate.
Сайт создан в системе
uCoz 
