Метилирование гистонов изначально считалось фактически необратимым процессом, поскольку период полураспада метилирования гистонов был приблизительно равен периоду полураспада гистона. [1] Гистонлизиндеметилаза LSD1 (позже классифицированная как KDM1A) была впервые идентифицирована в 2004 году как гомолог ядерной аминоксидазы. [2] Существуют два основных класса гистонлизиндеметилаз, определяемых их механизмами: флавинадениндинуклеотид (FAD) -зависимые аминоксидазы и α-кетоглутарат-зависимые гидроксилазы .
Гистоновые лизиновые деметилазы обладают множеством доменов , которые отвечают за распознавание гистонов, связывание ДНК, связывание метилированного аминокислотного субстрата и каталитическую активность. Они включают:
Домены Jumonji-N, отвечающие за стабильность конформации домена Jumonji-C
Домены SWIRM (SWI3P, RSC8P и Moira) предложены в качестве якорного участка для гистоновых субстратов и отвечают за стабильность хроматина
Домены цинковых пальцев PHD, CXXC и C5HC2, отвечающие за распознавание и связывание гистонов
Гистоновые лизиновые деметилазы классифицируются в соответствии с их доменами и уникальными субстратными специфичностями. Лизиновые субстраты идентифицируются в соответствии с их положением в соответствующей аминокислотной последовательности гистона и состоянием метилирования (например, H3K9me3 относится к триметилированному гистону 3 лизину 9.)
КДМ1
Гомологи KDM1 включают KDM1A и KDM1B . KDM1A деметилирует H3K4me1/2 и H3K9me1/2, а KDM1B эметилирует H3K4me1/2. Активность KDM1 имеет решающее значение для эмбриогенеза и тканеспецифической дифференциации , а также для роста ооцитов. [1] Удаление гена KDM1A может оказывать влияние на рост и дифференциацию эмбриональных стволовых клеток и является универсально летальным у нокаутированных мышей . [5] [6] Наблюдается, что экспрессия гена KDM1A повышается при некоторых видах рака, [7] [8] поэтому ингибирование KDM1A поэтому рассматривается как возможное эпигенетическое лечение рака. [9] [10] [11] :KDM1B, однако, в основном участвует в развитии ооцитов . Удаление этого гена приводит к летальности по материнскому эффекту у мышей. [12] Ортологи KDM1 у D. melanogaster и C. elegans , по-видимому, функционируют аналогично KDM1B, а не KDM1A. [13] [14]
КДМ2
Гомологи KDM2 включают KDM2A и KDM2B . KDM2A и KDM2B деметилируют H3K4me3 и H3K36me2/3. KDM2A играет роль либо в стимулировании, либо в ингибировании функции опухоли, а KDM2B играет роль в онкогенезе . [1] KDM2A и KDM2B обладают доменами цинковых пальцев CXXC, ответственными за связывание с неметилированными островками CpG, и считается, что они могут связываться со многими регуляторными элементами генов при отсутствии факторов транскрипции, специфичных для последовательности. [15] : Сверхэкспрессия KDM2B наблюдалась в человеческой лимфоме и аденокарциноме , а недостаточно экспрессированная KDM2B наблюдалась в раке предстательной железы и глиобластоме человека. Было также показано, что KDM2B предотвращает старение в некоторых клетках посредством эктопической экспрессии . [16]
КДМ3
Гомологи KDM3 включают KDM3A , KDM3B и KDM3C . KDM3A, KDM3B и KDM3C деметилируют H3K9me1/2. KDM3A играет роль в сперматогенезе и метаболических функциях, однако активность KDM3B и KDM3C конкретно не известна. [1] : Исследования нокдауна KDM3A у мышей привели к мужскому бесплодию и ожирению во взрослом возрасте. Дополнительные исследования показали, что KDM3A может играть роль в регуляции генов, зависящих от андрогенных рецепторов, а также генов, участвующих в плюрипотентности , что указывает на потенциальную роль KDM3A в онкогенезе. [17]
КДМ4
Гомологи KDM4 включают KDM4A , KDM4B , KDM4C , KDM4D , KDM4E и KDM4F. KDM4A, KDM4B и KDM4C деметилируют H3K9me2/3, H3K9me3 и H3K36me2/3, а KDM4D, KDM4E и KDM4F деметилируют H3K9me2/3. KDM4A, KDM4B, KDM4C и KDM4D играют роль в онкогенезе , однако активность KDM4E и KDM4F конкретно не известна. [1] Повышение регуляции KDM4B наблюдалось при медуллобластоме, а амплификация KDM4C была задокументирована при плоскоклеточной карциноме пищевода, медуллобластоме и раке молочной железы. [18] [19] [20] [21] Другие данные об экспрессии генов также предполагают, что KDM4A, KDM4B и KDM4C сверхэкспрессируются при раке предстательной железы. [22]
КДМ5
Гомологи KDM5 включают KDM5A , KDM5B , KDM5C и KDM5D . KDM5A, KDM5B, KDM5C и KDM5D деметилируют H3K4me2/3. [1] Семейство KDM5, по-видимому, регулирует ключевые функции развития, включая клеточную дифференцировку, митохондриальную функцию и прогрессию клеточного цикла . [23] [24] [25] [26] [27] [28] KDM5B и KDM5C также взаимодействуют с белками PcG, которые участвуют в репрессии транскрипции. Мутации KDM5C на X-хромосоме также наблюдались у пациентов с X-сцепленной интеллектуальной инвалидностью. [29] Истощение гомологов KDM5C у D. rerio показало дефекты мозгового паттерна и гибель нейронных клеток. [30]
КДМ6
Семейство KDM6 включает KDM6A , KDM6B и KDM6C . KDM6A и KDM6B деметилируют H3K27me2/3, а KDM4C деметилирует H3K27me3. KDM6A и KDM6B обладают свойствами подавления опухолей. Снижение уровня KDM6A в фибробластах приводит к немедленному увеличению популяции фибробластов. KDM6B, экспрессируемый в фибробластах, индуцирует онкогены пути Ras/Raf/MEK/ERK. [31] Точечные мутации KDM6A были идентифицированы как одна из причин синдрома Кабуки , врожденного заболевания, приводящего к умственной отсталости. [32] [33] Удаление KDM6A у D. rerio приводит к снижению экспрессии генов HOX, которые играют роль в регуляции паттерна тела во время развития. [34] В исследованиях млекопитающих было показано, что KDM6A также регулирует гены HOX. [35] [36] Мутация KDM5B нарушает развитие гонад у C.elegans . [35] Другие исследования показали, что экспрессия KDM6B повышается в активированных макрофагах и динамически экспрессируется во время дифференциации стволовых клеток . [37] [38]
Деметилирование эфира
Другим примером деметилазы является протеин-глутаматметилэстераза , также известная как белок CheB (EC 3.1.1.61), которая деметилирует MCP ( метил -акцепторные белки хемотаксиса ) посредством гидролиза связей карбоксильных эфиров. Ассоциация рецептора хемотаксиса с агонистом приводит к фосфорилированию CheB. Фосфорилирование белка CheB усиливает его каталитическую активность деметилирования MCP, что приводит к адаптации клетки к стимулам окружающей среды. [39] MCP реагируют на внеклеточные аттрактанты и репелленты в бактериях, таких как E. coli, в регуляции хемотаксиса . CheB более конкретно называется метилэстеразой , поскольку она удаляет метильные группы из остатков метилглутамата, расположенных на MCP, посредством гидролиза, производя глутамат, сопровождаемый высвобождением метанола . [40]
CheB представляет особый интерес для исследователей, поскольку он может быть терапевтической мишенью для смягчения распространения бактериальных инфекций. [41]
^ abcdef Pedersen MT, Helin K (ноябрь 2010). «Гистоновые деметилазы в развитии и болезнях». Trends in Cell Biology . 20 (11): 662–71. doi :10.1016/j.tcb.2010.08.011. PMID 20863703.
^ Shi Y, Lan F, Matson C, Mulligan P, Whetstine JR, Cole PA, Casero RA, Shi Y (декабрь 2004 г.). «Деметилирование гистонов, опосредованное гомологом ядерной аминоксидазы LSD1». Cell . 119 (7): 941–53. doi : 10.1016/j.cell.2004.12.012 . PMID 15620353.
^ Mosammaparast N, Shi Y (2010). «Обратное метилирование гистонов: биохимические и молекулярные механизмы гистоновых деметилаз». Annual Review of Biochemistry . 79 : 155–79. doi : 10.1146/annurev.biochem.78.070907.103946. PMID 20373914.
^ Aprelikova O, Chen K, El Touny LH, Brignatz-Guittard C, Han J, Qiu T, Yang HH, Lee MP, Zhu M, Green JE (апрель 2016 г.). «Эпигенетический модификатор JMJD6 усиливается в опухолях молочной железы и взаимодействует с c-Myc для усиления клеточной трансформации, прогрессирования опухоли и метастазирования». Clin Epigenetics . 8 (38): 38. doi : 10.1186/s13148-016-0205-6 . PMC 4831179 . PMID 27081402.
^ Wang J, Hevi S, Kurash JK, Lei H, Gay F, Bajko J, Su H, Sun W, Chang H, Xu G, Gaudet F, Li E, Chen T (январь 2009 г.). «Лизиндеметилаза LSD1 (KDM1) необходима для поддержания глобального метилирования ДНК». Nature Genetics . 41 (1): 125–9. doi :10.1038/ng.268. PMID 19098913. S2CID 2010695.
^ Wang J, Scully K, Zhu X, Cai L, Zhang J, Prefontaine GG, Krones A, Ohgi KA, Zhu P, Garcia-Bassets I, Liu F, Taylor H, Lozach J, Jayes FL, Korach KS, Glass CK, Fu XD, Rosenfeld MG (апрель 2007 г.). «Противоположные комплексы LSD1 функционируют в программах активации и репрессии генов развития». Nature . 446 (7138): 882–7. Bibcode :2007Natur.446..882W. doi :10.1038/nature05671. PMID 17392792. S2CID 4387240.
^ Kahl P, Gullotti L, Heukamp LC, Wolf S, Friedrichs N, Vorreuther R, Solleder G, Bastian PJ, Ellinger J, Metzger E, Schüle R, Buettner R (декабрь 2006 г.). «Коактиваторы андрогеновых рецепторов лизин-специфическая гистондеметилаза 1 и четыре с половиной белка домена LIM 2 предсказывают риск рецидива рака простаты». Cancer Research . 66 (23): 11341–7. doi :10.1158/0008-5472.CAN-06-1570. PMID 17145880.
^ Lim S, Janzer A, Becker A, Zimmer A, Schüle R, Buettner R, Kirfel J (март 2010 г.). «Лизин-специфическая деметилаза 1 (LSD1) высоко экспрессируется в ER-отрицательных раковых опухолях груди и является биомаркером, предсказывающим агрессивную биологию». Carcinogenesis . 31 (3): 512–20. doi :10.1093/carcin/bgp324. PMID 20042638.
^ Мецгер Э., Виссманн М., Инь Н., Мюллер Дж.М., Шнайдер Р., Петерс А.Х., Гюнтер Т., Бюттнер Р., Шюле Р. (сентябрь 2005 г.). «LSD1 деметилирует репрессивные метки гистонов, чтобы способствовать транскрипции, зависимой от андрогенных рецепторов». Природа . 437 (7057): 436–9. Бибкод : 2005Natur.437..436M. дои : 10.1038/nature04020. PMID 16079795. S2CID 4308627.
^ Schulte JH, Lim S, Schramm A, Friedrichs N, Koster J, Versteeg R, Ora I, Pajtler K, Klein-Hitpass L, Kuhfittig-Kulle S, Metzger E, Schüle R, Eggert A, Buettner R, Kirfel J (март 2009 г.). «Лизин-специфическая деметилаза 1 сильно выражена в слабодифференцированной нейробластоме: последствия для терапии». Cancer Research . 69 (5): 2065–71. doi : 10.1158/0008-5472.CAN-08-1735 . PMID 19223552.
^ Wang Y, Zhang H, Chen Y, Sun Y, Yang F, Yu W, Liang J, Sun L, Yang X, Shi L, Li R, Li Y, Zhang Y, Li Q, Yi X, Shang Y (август 2009 г.). «LSD1 является субъединицей комплекса NuRD и нацелен на программы метастазирования при раке молочной железы». Cell . 138 (4): 660–72. doi : 10.1016/j.cell.2009.05.050 . PMID 19703393.
^ Ciccone DN, Su H, Hevi S, Gay F, Lei H, Bajko J, Xu G, Li E, Chen T (сентябрь 2009 г.). "KDM1B — это деметилаза гистона H3K4, необходимая для установления материнских геномных импринтов". Nature . 461 (7262): 415–8. Bibcode :2009Natur.461..415C. doi :10.1038/nature08315. PMID 19727073. S2CID 1143128.
^ Rudolph T, Yonezawa M, Lein S, Heidrich K, Kubicek S, Schäfer C, Phalke S, Walther M, Schmidt A, Jenuwein T, Reuter G (апрель 2007 г.). «Формирование гетерохроматина у дрозофилы инициируется активным удалением метилирования H3K4 гомологом LSD1 SU(VAR)3-3». Molecular Cell . 26 (1): 103–15. doi : 10.1016/j.molcel.2007.02.025 . PMID 17434130.
^ Di Stefano L, Ji JY, Moon NS, Herr A, Dyson N (май 2007 г.). «Мутация Drosophila Lsd1 нарушает метилирование H3-K4, что приводит к тканеспецифическим дефектам во время развития». Current Biology . 17 (9): 808–12. doi :10.1016/j.cub.2007.03.068. PMC 1909692 . PMID 17462898.
^ He J, Kallin EM, Tsukada Y, Zhang Y (ноябрь 2008 г.). «Деметилаза H3K36 Jhdm1b/Kdm2b регулирует пролиферацию и старение клеток через p15(Ink4b)». Nature Structural & Molecular Biology . 15 (11): 1169–75. doi :10.1038/nsmb.1499. PMC 2612995 . PMID 18836456.
^ Loh YH, Zhang W, Chen X, George J, Ng HH (октябрь 2007 г.). «Деметилазы гистона H3 Lys 9 Jmjd1a и Jmjd2c регулируют самообновление в эмбриональных стволовых клетках». Genes & Development . 21 (20): 2545–57. doi :10.1101/gad.1588207. PMC 2000320 . PMID 17938240.
^ Ehrbrecht A, Müller U, Wolter M, Hoischen A, Koch A, Radlwimmer B, Actor B, Mincheva A, Pietsch T, Lichter P, Reifenberger G, Weber RG (март 2006 г.). «Комплексный геномный анализ десмопластических медуллобластом: идентификация новых амплифицированных генов и отдельная оценка различных гистологических компонентов». The Journal of Pathology . 208 (4): 554–63. doi :10.1002/path.1925. PMID 16400626. S2CID 1463027.
^ Liu G, Bollig-Fischer A, Kreike B, van de Vijver MJ, Abrams J, Ethier SP, Yang ZQ (декабрь 2009 г.). «Геномная амплификация и онкогенные свойства гена гистондеметилазы GASC1 при раке груди». Oncogene . 28 (50): 4491–500. doi :10.1038/onc.2009.297. PMC 2795798 . PMID 19784073.
^ Northcott PA, Nakahara Y, Wu X, Feuk L, Ellison DW, Croul S, Mack S, Kongkham PN, Peacock J, Dubuc A, Ra YS, Zilberberg K, McLeod J, Scherer SW, Sunil Rao J, Eberhart CG, Grajkowska W, Gillespie Y, Lach B, Grundy R, Pollack IF, Hamilton RL, Van Meter T, Carlotti CG, Boop F, Bigner D, Gilbertson RJ, Rutka JT, Taylor MD (апрель 2009 г.). «Множественные повторяющиеся генетические события сходятся в контроле метилирования лизина гистонов при медуллобластоме». Nature Genetics . 41 (4): 465–72. doi :10.1038/ng.336. PMC 4454371 . PMID 19270706.
^ Ян ZQ, Имото И, Фукуда Ю, Пимхаокхам А, Симада Ю, Имамура М, Сугано С, Накамура Ю, Инадзава Дж (сентябрь 2000 г.). «Идентификация нового гена, GASC1, в ампликоне 9p23-24, часто обнаруживаемого в клеточных линиях рака пищевода». Исследования рака . 60 (17): 4735–9. ПМИД 10987278.
^ Cloos PA, Christensen J, Agger K, Maiolica A, Rappsilber J , Antal T, Hansen KH, Helin K (июль 2006 г.). «Предполагаемый онкоген GASC1 деметилирует три- и диметилированный лизин 9 на гистоне H3». Nature . 442 (7100): 307–11. Bibcode :2006Natur.442..307C. doi :10.1038/nature04837. PMID 16732293. S2CID 2874903.
^ Lee N, Erdjument-Bromage H, Tempst P, Jones RS, Zhang Y (март 2009). «Крышка деметилазы H3K4 ассоциируется с гистондеацетилазой Rpd3 и ингибирует ее». Молекулярная и клеточная биология . 29 (6): 1401–10. doi :10.1128/MCB.01643-08. PMC 2648242. PMID 19114561 .
^ Беневоленская EV, Murray HL, Branton P, Young RA, Kaelin WG (июнь 2005 г.). «Связывание pRB с белком PHD RBP2 способствует клеточной дифференцировке». Molecular Cell . 18 (6): 623–35. doi : 10.1016/j.molcel.2005.05.012 . PMID 15949438.
^ Lopez-Bigas N, Kisiel TA, Dewaal DC, Holmes KB, Volkert TL, Gupta S, Love J, Murray HL, Young RA, Benevolenskaya EV (август 2008). "Genome-wide analysis of the H3K4 histone demethylase RBP2 reveals a transcriptional program controlingdifferentiation". Molecular Cell . 31 (4): 520–30. doi :10.1016/j.molcel.2008.08.004. PMC 3003864 . PMID 18722178.
^ Pasini D, Hansen KH, Christensen J, Agger K, Cloos PA, Helin K (май 2008 г.). «Скоординированная регуляция транскрипционной репрессии деметилазой RBP2 H3K4 и комплексом Polycomb-Repressive 2». Genes & Development . 22 (10): 1345–55. doi :10.1101/gad.470008. PMC 2377189 . PMID 18483221.
^ ван Овелен С., Ван Дж., Асп П., Ян К., Кэлин В.Г., Клюгер Ю., Динлахт Б.Д. (ноябрь 2008 г.). «Роль Sin3 млекопитающих в постоянном молчании генов». Молекулярная клетка . 32 (3): 359–70. doi :10.1016/j.molcel.2008.10.015. ПМК 3100182 . ПМИД 18995834.
^ Zeng J, Ge Z, Wang L, Li Q, Wang N, Björkholm M, Jia J, Xu D (март 2010 г.). «Гистондеметилаза RBP2 сверхэкспрессируется при раке желудка, и ее ингибирование вызывает старение раковых клеток». Гастроэнтерология . 138 (3): 981–92. doi :10.1053/j.gastro.2009.10.004. PMID 19850045.
^ Jensen LR, Amende M, Gurok U, Moser B, Gimmel V, Tzschach A, Janecke AR, Tariverdian G, Chelly J, Fryns JP, Van Esch H, Kleefstra T, Hamel B, Moraine C, Gecz J, Turner G, Reinhardt R, Kalscheuer VM, Ropers HH, Lenzner S (февраль 2005 г.). «Мутации в гене JARID1C, который участвует в регуляции транскрипции и ремоделировании хроматина, вызывают умственную отсталость, связанную с Х-хромосомой». American Journal of Human Genetics . 76 (2): 227–36. doi :10.1086/427563. PMC 1196368 . PMID 15586325.
^ Iwase S, Lan F, Bayliss P, de la Torre-Ubieta L, Huarte M, Qi HH, Whetstine JR, Bonni A, Roberts TM, Shi Y (март 2007 г.). «Ген умственной отсталости, связанный с Х-хромосомой SMCX/JARID1C, определяет семейство деметилаз лизина 4 гистона H3». Cell . 128 (6): 1077–88. doi : 10.1016/j.cell.2007.02.017 . PMID 17320160.
^ Agger K, Cloos PA, Rudkjaer L, Williams K, Andersen G, Christensen J, Helin K (май 2009 г.). «Деметилаза H3K27me3 JMJD3 способствует активации локуса INK4A-ARF в ответ на старение, вызванное онкогенами и стрессом». Genes & Development . 23 (10): 1171–6. doi :10.1101/gad.510809. PMC 2685535 . PMID 19451217.
^ Lederer D, Grisart B, Digilio MC, Benoit V, Crespin M, Ghariani SC, Maystadt I, Dallapiccola B, Verellen-Dumoulin C (январь 2012 г.). «Деление KDM6A, гистоновой деметилазы, взаимодействующей с MLL2, у трех пациентов с синдромом Кабуки». American Journal of Human Genetics . 90 (1): 119–24. doi :10.1016/j.ajhg.2011.11.021. PMC 3257878 . PMID 22197486.
^ Лан Ф., Бейлисс П.Е., Ринн Дж.Л., Уэтстайн Дж.Р., Ван Дж.К., Чен С., Ивасе С., Алпатов Р., Исаева И., Канаани Э., Робертс Т.М., Чанг ХИ, Ши Ю (октябрь 2007 г.). «Деметилаза лизина 27 гистона H3 регулирует заднее развитие животных». Природа . 449 (7163): 689–94. Бибкод : 2007Natur.449..689L. дои : 10.1038/nature06192. PMID 17851529. S2CID 612144.
^ ab Agger K, Cloos PA, Christensen J, Pasini D, Rose S, Rappsilber J, Issaeva I, Canaani E, Salcini AE, Helin K (октябрь 2007 г.). «UTX и JMJD3 представляют собой деметилазы гистонов H3K27, участвующие в регуляции и развитии гена HOX». Природа . 449 (7163): 731–4. Бибкод : 2007Natur.449..731A. дои : 10.1038/nature06145. PMID 17713478. S2CID 4413812.
^ Wang JK, Tsai MC, Poulin G, Adler AS, Chen S, Liu H, Shi Y, Chang HY (февраль 2010 г.). «Гистондеметилаза UTX обеспечивает RB-зависимый контроль судьбы клеток». Genes & Development . 24 (4): 327–32. doi :10.1101/gad.1882610. PMC 2816731 . PMID 20123895.
^ De Santa F, Totaro MG, Prosperini E, Notarbartolo S, Testa G, Natoli G (сентябрь 2007 г.). «Деметилаза лизина-27 гистона H3 Jmjd3 связывает воспаление с ингибированием подавления генов, опосредованного поликомбом». Cell . 130 (6): 1083–94. doi : 10.1016/j.cell.2007.08.019 . PMID 17825402.
^ Burgold T, Spreafico F, De Santa F, Totaro MG, Prosperini E, Natoli G, Testa G (2008). "Деметилаза Jmjd3, специфичная для лизина 27 гистона H3, необходима для нейронной фиксации". PLOS ONE . 3 (8): e3034. Bibcode :2008PLoSO...3.3034B. doi : 10.1371/journal.pone.0003034 . PMC 2515638 . PMID 18716661.
^ ab Владимиров Н, Левдок Л, Лебедь Д, Суржик В (декабрь 2008 г.). "Зависимость бактериального хемотаксиса от формы градиента и скорости адаптации". PLOS Computational Biology . 4 (12): e1000242. Bibcode :2008PLSCB...4E0242V. doi : 10.1371/journal.pcbi.1000242 . PMC 2588534. PMID 19096502 .
^ West AH, Martinez-Hackert E, Stock AM (июль 1995). «Кристаллическая структура каталитического домена метилэстеразы рецептора хемотаксиса, CheB». Журнал молекулярной биологии . 250 (2): 276–90. doi :10.1006/jmbi.1995.0376. PMID 7608974.