酵素ヒストンN-メチルアルギニン脱メチル化の触媒メカニズムは何であり、外部電界の影響を受けることができますか？

アルギニンメチル化は、エピジェネティックな調節の重要なメカニズムです。いくつかのFe（II）および2-オキソグルタル酸依存性のJumonji-C（JMJC）Nϵ-メチルリジンヒストンデメチラーゼもN-メチルアルギニンデメチラーゼ活性を持っています。ヒトKDM4EによるN-メチルアルギニン脱メチル化のメカニズムに関する分子動的（MD）と量子機械/分子機械（QM/MM）研究を報告し、KDM4AによるN-メチルリジン脱メチル化について報告された結果と比較します。KDM4Eアクティブサイトでは、GLU191、ASN291、およびSer197が基質のダイナミクスを制限する保存された足場を形成します。基質結合は、基質Ser1とTyr178の間の活性部位の水素結合によっても媒介されます。計算は、N-メチルアルギニン脱メチル化中の水素原子移動（HAT）のC-HまたはN-H潜在的結合切断経路のいずれかで、電子移動がσチャネルを介して発生することを意味します。N-H経路の遷移状態は、N-H結合の結合解離エネルギーが高いため、C-H経路の方が約10 kcal/mol高くなっています。外部電界（EEF）を適用した結果は、Fe = O結合に平行な正の電界強度を持つEEFがC-H経路に大きな障壁を低くする効果をもたらします。対照的に、そのようなEEFはN-H活性化速度を阻害します。全体的な結果は、KDM4がN-メチルアルギニン脱メチル化とN-メチルリジン脱メチル化が、同様のC-H抽象化とリバウンドメカニズムを介して発生することを意味しますが、メチル基ハイドロキシル化につながる相互作用には違いがあります。

Arginine methylation is an important mechanism of epigenetic regulation. Some Fe(II) and 2-oxoglutarate dependent Jumonji-C (JmjC) Nϵ-methyl lysine histone demethylases also have N-methyl arginine demethylase activity. We report combined molecular dynamic (MD) and Quantum Mechanical/Molecular Mechanical (QM/MM) studies on the mechanism of N-methyl arginine demethylation by human KDM4E and compare the results with those reported for N-methyl lysine demethylation by KDM4A. At the KDM4E active site, Glu191, Asn291, and Ser197 form a conserved scaffold that restricts substrate dynamics; substrate binding is also mediated by an out of active site hydrogen-bond between the substrate Ser1 and Tyr178. The calculations imply that in either C-H or N-H potential bond cleaving pathways for hydrogen atom transfer (HAT) during N-methyl arginine demethylation, electron transfer occurs via a σ-channel; the transition state for the N-H pathway is ∼10 kcal/mol higher than for the C-H pathway due to the higher bond dissociation energy of the N-H bond. The results of applying external electric fields (EEFs) reveal EEFs with positive field strengths parallel to the Fe=O bond have a significant barrier-lowering effect on the C-H pathway, by contrast, such EEFs inhibit the N-H activation rate. The overall results imply that KDM4 catalyzed N-methyl arginine demethylation and N-methyl lysine demethylation occur via similar C-H abstraction and rebound mechanisms leading to methyl group hydroxylation, though there are differences in the interactions leading to productive binding of intermediates.