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5位胞嘧啶甲基化(5mC)是基因组中关键的表观遗传学修饰,在大多数植物、动物和真菌模型中高度保守。DNA甲基化的动态调控对基因组的稳定性、基因表达和机体发育等重要生物学过程意义重大。DNA甲基化建立的机制已经研究的比较清楚,而科学家们对DNA甲基化标记的“消除”机制依然知之甚少。科学家们提出了很多候选酶来解释主动去甲基化过程,包括胞嘧啶脱氨酶、碱基糖苷水解酶以及其他DNA修复因子,但它们都因为局限于特定的生物系统或生理条件而未被公认为DNA主动去甲基化的广泛机制。2009年研究报道TET家族蛋白具有氧化5mC为5hmC能力,5hmC是主动去甲基化过程中关键的中间产物,这被认为是揭秘主动去甲基化机制的标志性发现。随后的研究表明TET能够继续催化5hmC转化为5fC和5caC,这些5mC氧化衍生物可由碱基切除修复系统继续转换成胞嘧啶从而完成去甲基化过程。作为DNA去甲基化的“发起者”,TET蛋白在很多重要生物学过程中扮演着关键角色,TET的突变常见于癌症尤其是血液肿瘤。然而TET家族蛋白的三维结构一直未能获得解析,我们无法从分子水平理解TET识别DNA底物的机制及其催化机理。为了解开这一谜题,我们解析了TET2-5mC复合体分辨率为2.02 A的三维结构。晶体结构显示,两个锌指结构使得以前认为独立的两个结构域Cys-Rich结构域和DSBH结构域形成一个紧致的催化结构域。Cys-Rich结构域将DNA稳定在DSBH催化核心上方。Cys-Rich结构域的一段疏水卷曲结构插入DNA,将双螺旋“撬开”,进而5mC翻入到催化口袋中,其甲基朝向Fe(Ⅱ)进而发生氧化反应。TET2的催化空腔可以容纳5hmC和5fC以实现5mC的反复氧化。TET2特异性识别CpG位点并对5mCpG底物有更强的酶活。生化数据表明,常见于血液肿瘤的TET2突变通过破坏Fe(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)和NOG的配位以及DNA与TET2的结合显著降低TET2的酶活。我们的结构阐明了TET2的折叠方式和DNA结合与识别机制,并通过生化实验证明血液肿瘤患者中多种TET2蛋白突变大大降低了TET2的酶活性进而致病。由于TET的活性与癌症发生密切相关,该研究也为基于结构的靶向药物设计提供了理论依据。