联系我们

CONTACT US

币安交易所网址
地址:厦门火炬高新区(翔安)产业区翔星路98号强业楼406室

电 话:0592-5771844 

手 机:15860722185

邮 箱:63706983@qq.com

Nature:复旦大学徐彦辉研究组与上海药物所罗成研究组联合揭示TET蛋白的底物偏好性机制

作者:徐彦辉、罗成 发布时间:2015-11-02

2015年10月29日,国际顶级学术期刊《Nature》在线发表复旦大学生物医学研究院徐彦辉教授与上海药物所药物发现与设计中心罗成研究员与之组成研究团队,首次报道了TET蛋白对三种DNA甲基化衍生物不同催化活性的分子机制,揭示了TET蛋白底物偏好性机制,为基因组中5-羟甲基胞嘧啶稳定存在提供了分子水平的解释。研究论文题为“Structural insight into substrate preference for TET-mediated oxidation”(晶体结构揭示TET蛋白介导的氧化反应底物偏好性机制)。 复旦大学的胡璐璐和程净东、上海药物所卢俊彦博士是论文第一作者,复旦大学徐彦辉教授与中国科学院药物所罗成研究员是论文的共同通讯作者。

DNA双螺旋结构中包含4种经典碱基:腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶。哺乳动物基因组的胞嘧啶上会产生甲基化修饰,称为5-甲基胞嘧啶(5mC, 即第5种碱基)。近期研究发现,TET蛋白将5-甲基胞嘧啶连续氧化为5-羟甲基胞嘧啶(5hmC, 第6种碱基),5-醛基胞嘧啶(5fC, 第7种碱基),5-羧基胞嘧啶(5caC, 第8种碱基)。5-甲基胞嘧啶诱导基因沉默,在生命发育过程和疾病发生过程中起重要作用。由TET蛋白修饰而产生的新碱基既是去甲基化过程的中间状态,也可能作为基因组的重要“标记物”,具备特定的生物学功能。这些“标记物”的异常,与众多恶性肿瘤的发生相关。值得注意的是,TET2蛋白丧失活性会导致血液肿瘤,研究对多种疾病的发病机制,尤其对血液肿瘤(如髓系白血病)治疗性药物开发有重大意义。

 

据悉,人体基因组DNA是生命遗传信息的基本载体,生命延续和繁衍需要DNA上的一种“甲基化修饰”。“甲基化修饰”具有调控人体内特定基因的表达和决定细胞命运的作用,可使细胞发生程序化的改变。哺乳动物基因组的胞嘧啶上会产生甲基化修饰,称为5-甲基胞嘧啶(5mC, 即第5种碱基)。而TET蛋白是哺乳动物细胞中的一种氧化酶,可以执行DNA去甲基化功能。近期研究发现,TET蛋白在去甲基化过程中,将5mC氧化为5hmC (5-羟甲基胞嘧啶, 第6种碱基)后,可继续催化5-hmC转化为5-fC(5-醛基胞嘧啶,第7种碱基)和5-caC(5-羧基胞嘧啶,第8种碱基)。其中,5hmC在细胞内相对稳定存在,且其含量远远高于5fC和5caC。基因组中5hmC稳定存在,且其含量远远高于5fC和5caC。但这一现象一直没有合理的生物学解释。该研究团队综合利用结构生物学,生物化学和计算生物学等研究方法,揭开了这一谜底。生化实验表明,TET蛋白对5mC具备很高活性(产生5hmC),而对5hmC(产生5fC)和5fC(产生5caC)的活性很低。TET蛋白就如同连续的三个扶梯,在转化不同碱基的情况下,其转化速度明显不同(如图所示)。结构研究发现,5mC在TET蛋白催化口袋中的取向使得它很容易被催化活性中心俘获并被氧化为5hmC。5hmC和5fC由于已经有氧的存在,其在催化口袋中被限制住,不容易发生进一步的氧化反应,导致TET蛋白对这两种碱基活性降低。在这样的催化能力差异下,TET会很顺利将5mC产生5hmC,一旦5hmC产生,TET将不容易使其进一步氧化为5fC和5caC,导致细胞内5hmC相对稳定,并且其含量远远高于5fC和5caC。在特定的基因中区域,TET蛋白可能被特定的调控因子激活,会跨越能垒阻碍产生高活性的TET,连续氧化为5fC和5caC。这一发现解决了困扰表观遗传学领域的一个难题,也为揭示其他蛋白质逐步催化反应的分子机制提供了新思路和新方法。

原文链接:

Structural insight into substrate preference for TET-mediated oxidation

原文摘要:

DNA methylation is an important epigenetic modification. Ten-eleven translocation (TET) proteins are involved in DNA demethylation through iteratively oxidizing 5-methylcytosine (5mC) into 5-hydroxymethylcytosine (5hmC), 5-formylcytosine (5fC) and 5-carboxylcytosine (5caC). Here we show that human TET1 and TET2 are more active on 5mC-DNA than 5hmC/5fC-DNA substrates. We determine the crystal structures of TET2–5hmC-DNA and TET2–5fC-DNA complexes at 1.80 A and 1.97 A resolution, respectively. The cytosine portion of 5hmC/5fC is specifically recognized by TET2 in a manner similar to that of 5mC in the TET2–5mC-DNA structure, and the pyrimidine base of 5mC/5hmC/5fC adopts an almost identical conformation within the catalytic cavity. However, the hydroxyl group of 5hmC and carbonyl group of 5fC face towards the opposite direction because the hydroxymethyl group of 5hmC and formyl group of 5fC adopt restrained conformations through forming hydrogen bonds with the 1-carboxylate of NOG and N4 exocyclic nitrogen of cytosine, respectively. Biochemical analyses indicate that the substrate preference of TET2 results from the different efficiencies of hydrogen abstraction in TET2-mediated oxidation. The restrained conformation of 5hmC and 5fC within the catalytic cavity may prevent their abstractable hydrogen(s) adopting a favourable orientation for hydrogen abstraction and thus result in low catalytic efficiency. Our studies demonstrate that the substrate preference of TET2 results from the intrinsic value of its substrates at their 5mC derivative groups and suggest that 5hmC is relatively stable and less prone to further oxidation by TET proteins. Therefore, TET proteins are evolutionarily tuned to be less reactive towards 5hmC and facilitate the generation of 5hmC as a potentially stable mark for regulatory functions.、

文章来源:生物帮