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研究揭示TET同源蛋白催化DNA中5mC形成
閱讀：364 發(fā)布時(shí)間：2021-3-312月2日，中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)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(jī)制。
近年來(lái)，表觀遺傳學(xué)研究領(lǐng)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(yīng)，依次形成5hmC、5fC以及5caC。2019年，中國(guó)科學(xué)院院士徐國(guó)良等多個(gè)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(yīng)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(lài)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(bào)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(jìn)2-OG依賴(lài)的雙加氧酶的催化活性，未有研究表明VC能夠作為共反應(yīng)底物發(fā)揮生物學(xué)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(xué)問(wèn)題及其分子機(jī)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(duì)CMD1的結(jié)構(gòu)、功能和分子機(jī)制開(kāi)展了深入研究。通過(guò)生化分析發(fā)現(xiàn)，CMD1對(duì)不同長(zhǎng)度、結(jié)構(gòu)及5mC修飾水平的DNA底物具有相近的親和力，但對(duì)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(fù)合物的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)分析表明，CMD1的整體結(jié)構(gòu)采用典型的2-OG依賴(lài)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(fù)合物結(jié)構(gòu)中，VC均以?xún)?nèi)酯形式存在。相互作用分析表明，VC通過(guò)廣泛的氫鍵和疏水相互作用結(jié)合在CMD1的活性位點(diǎn)，并通過(guò)單配位與Fe2+螯合，這與其他2-OG依賴(lài)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(shí)驗(yàn)表明，CMD1催化的反應(yīng)只有當(dāng)VC以?xún)?nèi)酯形式存在時(shí)才能發(fā)生。CMD1-VC-5mC-DNA三元復(fù)合物的結(jié)構(gòu)代表了CMD1催化反應(yīng)的起始狀態(tài)，在該結(jié)構(gòu)中DNA底物主要通過(guò)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(lái)并插入CMD1的活性位點(diǎn)；5mC的甲基基團(tuán)指向VC，但沒(méi)有被特異性識(shí)別，因此未修飾的C也能夠插入CMD1的活性位點(diǎn)。突變體實(shí)驗(yàn)表明，CMD1的催化活性依賴(lài)于金屬離子、VC和DNA底物的正確結(jié)合。與TET蛋白的結(jié)構(gòu)比較闡明了CMD1和TET蛋白使用不同共反應(yīng)底物催化反應(yīng)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，但CMD1和TET蛋白對(duì)底物5mC的結(jié)合和識(shí)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(jī)制。
分子細(xì)胞中心徐國(guó)良研究組參與了該項(xiàng)研究。研究工作得到上海同步輻射光源BL17U1線(xiàn)站和國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究設(shè)施（上海）BL18U和BL19U1線(xiàn)站、分子細(xì)胞中心分子平臺(tái)的支持，以及中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)（B類(lèi)）和科學(xué)技術(shù)部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。
論文鏈接
(a) CMD1-VC-5mC-DNA三元復(fù)合物的整體結(jié)構(gòu)。(b, c) CMD1的活性位點(diǎn)。(d) CMD1的表面電勢(shì)分布以及與5mc-DNA的結(jié)合方式。(e, f) CMD1與TET蛋白活性位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)比較（綠色：CMD1；淺藍(lán)色：HsTET2；橙色：NgTET1）。