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研究揭示TET同源蛋白催化DNA中5mC形成
閱讀：365 發(fā)布時間：2021-3-312月2日，中國科學院分子細胞科學創(chuàng)新中心（生物化學與細胞生物學研究所）研究員丁建平研究組在Nature Communications上發(fā)表題為Molecular mechanism for vitamin C-derived C5-glyceryl-methylcytosine DNA modification catalyzed by algal TET homologue CMD1的論文,，該研究揭示了衣藻中TET同源蛋白CMD1以維生素C作為共底物（co-substrate）,，催化DNA中5mC修飾形成5gmC修飾的分子機制。
近年來,，表觀遺傳學研究領域致力于發(fā)現(xiàn)新型DNA修飾方式,。研究表明，TET蛋白利用Fe2+和2-酮戊二酸（2-oxogluatarate, 2-OG）能夠催化5mC發(fā)生多步氧化反應,，依次形成5hmC,、5fC以及5caC。2019年,，中國科學院院士徐國良等多個課題組合作研究發(fā)現(xiàn),，萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）中TET同源蛋白CMD1（5-methylcytosine modifying enzyme 1）能夠以維生素C（vitamin C, VC）為共反應底物，催化DNA的5mC產(chǎn)生一種全新的DNA修飾5gmC（5-glyceryl-methylcytosine）,，并在萊茵衣藻的光合作用中發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用。CMD1作為2-OG依賴的雙加氧酶家族成員,，催化5mC形成5gmC需要VC而非2-OG,，這與該家族其他成員顯著不同。在CMD1被報道之前,，VC主要作為抗氧化劑發(fā)揮功能,，或作為還原劑促進2-OG依賴的雙加氧酶的催化活性，未有研究表明VC能夠作為共反應底物發(fā)揮生物學功能,。CMD1如何利用VC而非2-OG催化5mC發(fā)生修飾,，以及CMD1是否具有底物特異性等科學問題及其分子機制尚不清楚。
丁建平研究組助理研究員李文婧,、研究員張?zhí)忑埡筒┦垦芯可鷮O明亮合作對CMD1的結(jié)構,、功能和分子機制開展了深入研究。通過生化分析發(fā)現(xiàn),，CMD1對不同長度,、結(jié)構及5mC修飾水平的DNA底物具有相近的親和力，但對含有5mCpG的DNA有一定程度的底物偏好性,。此外,，科研人員解析了CMD1原酶、結(jié)合VC,、結(jié)合DNA或5mC-DNA,、以及結(jié)合5mC-DNA和VC的復合物的高分辨率晶體結(jié)構,。結(jié)構分析表明，CMD1的整體結(jié)構采用典型的2-OG依賴的雙加氧酶家族的DSBH（double-stranded β-helix）折疊方式,。在CMD1結(jié)合VC以及結(jié)合5mC-DNA和VC的復合物結(jié)構中,，VC均以內(nèi)酯形式存在。相互作用分析表明,，VC通過廣泛的氫鍵和疏水相互作用結(jié)合在CMD1的活性位點,，并通過單配位與Fe2+螯合，這與其他2-OG依賴的雙加氧酶中2-OG以雙配位與Fe2+螯合的方式不同,。體外酶活實驗表明,，CMD1催化的反應只有當VC以內(nèi)酯形式存在時才能發(fā)生。CMD1-VC-5mC-DNA三元復合物的結(jié)構代表了CMD1催化反應的起始狀態(tài),，在該結(jié)構中DNA底物主要通過磷酸骨架與CMD1正電荷富集的表面相互作用,，DNA底物鏈中的5mC從雙鏈DNA中翻轉(zhuǎn)出來并插入CMD1的活性位點；5mC的甲基基團指向VC,，但沒有被特異性識別,，因此未修飾的C也能夠插入CMD1的活性位點。突變體實驗表明,，CMD1的催化活性依賴于金屬離子,、VC和DNA底物的正確結(jié)合。與TET蛋白的結(jié)構比較闡明了CMD1和TET蛋白使用不同共反應底物催化反應的結(jié)構基礎,，但CMD1和TET蛋白對底物5mC的結(jié)合和識別方式卻十分相似,。上述研究結(jié)果揭示了CMD1以VC為共底物，催化DNA中5mC修飾形成5gmC修飾的分子機制,。
分子細胞中心徐國良研究組參與了該項研究,。研究工作得到上海同步輻射光源BL17U1線站和國家蛋白質(zhì)科學研究設施（上海）BL18U和BL19U1線站、分子細胞中心分子平臺的支持,，以及中科院戰(zhàn)略性先導科技專項（B類）和科學技術部國家重點研發(fā)計劃的支持,。
論文鏈接
(a) CMD1-VC-5mC-DNA三元復合物的整體結(jié)構。(b, c) CMD1的活性位點,。(d) CMD1的表面電勢分布以及與5mc-DNA的結(jié)合方式,。(e, f) CMD1與TET蛋白活性位點的結(jié)構比較（綠色：CMD1；淺藍色：HsTET2,；橙色：NgTET1）,。