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Nature子刊 | 重大进展!丁建平/徐国良揭示表观遗传新的修饰5gmC产生的分子机理

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(图片来源:摄图网)

本文原创首发公众号:iNature

微信号 :Plant_ihuman

C5-甘油基甲基胞嘧啶(5gmC)是藻类TET同源物CMD1以维生素C(VC)为底物催化的新型DNA修饰。 

2021年2月2日,中国科学院上海生化细胞所丁建平及徐国良合作在Nature Communications 在线发表题为“Molecular mechanism for vitamin C-derived C5-glyceryl-methylcytosine DNA modification catalyzed by algal TET homologue CMD1”的研究论文,该研究报告载脂蛋白形式的CMD1的结构以及与VC或/和dsDNA的复合物的结构。

CMD1对不同长度,结构和5mC水平的DNA表现出可比的结合亲和力,对含5mCpG的DNA表现出中等的底物偏爱。CMD1采用Fe2 + / 2-OG依赖性双加氧酶的典型DSBH折叠。VC的内酯形式与活性位点结合,并以不同于2-OG的方式单配位Fe2 +。dsDNA与CMD1的带正电荷的裂口结合,并将5mC / C插入到活性位点,并以与TET蛋白类似的方式被CMD1识别。通过诱变和活性测定验证了关键残基的功能。该研究结构和生化数据共同揭示了CMD1修饰VC衍生的5gmC DNA的分子机制。

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发现许多生物中都存在对DNA碱基的共价修饰,例如C5-甲基胞嘧啶(5mC),N4-甲基胞嘧啶(4mC)和N6-甲基腺嘌呤(6mA)。在这些修饰中,5mC是真核生物中最常见且研究最深入的DNA修饰,并且是重要的表观遗传标记,它在许多基本细胞和发育过程(包括转录,染色质重塑,X染色体失活,基因组印迹,干细胞的多能性,胚胎发育和肿瘤发育)。

在过去的二十年中,对表观遗传学领域中其他DNA碱基修饰及其生物学功能的发现越来越感兴趣。最近发现,DNA中的5mC可以通过TET酶逐步氧化为C5-羟甲基-胞嘧啶(5hmC),C5-甲酰基-胞嘧啶(5fC)和C5-羧基-胞嘧啶(5caC),TET酶使用Fe2 +作为辅助因子,使用2-氧戊二酸酯(2-OG)作为辅助底物。这些5mC衍生物也被认为是稳定的表观遗传标记,并被证明在基因表达的表观遗传调控中起着至关重要的作用。另外,最近报道了另外两种DNA碱基修饰,即4mC和6mA,以前被认为仅限于原核生物,这些修饰存在于多种后生动物的基因组DNA中。然而,后生动物中4mC和6mA的存在仍在争论中:一些研究表明6mA修饰可能是潜在的表观遗传标记,并在基因转录和染色质重塑中起重要作用 ;其他人则认为检测到的6mA和4mC可能是由于测量中的伪影所致。

负责DNA 5mC氧化的TET蛋白质构成了Fe2 + / 2-OG依赖的双加氧酶的一个亚家族,催化多种氧化反应,并在许多生物过程中起着至关重要的作用。大多数Fe2 + / 2-OG依赖的双加氧酶利用Fe2 +作为辅助因子,而2-OG和O2作为辅助底物,产生CO2和琥珀酸酯作为副产物。这些酶的结构特征是保守的双链β-螺旋(DSBH)核心折叠,由主要和次要的β-折叠组成,末端的开放端含有Fe2 +和2-OG结合位点。通常在DSBH核心的N-或/和C-末端加上其他β链,α螺旋或结构域,它们在稳定DSBH折叠以及识别和结合底物方面发挥着作用。催化所需的Fe2 +通常被保守的HXD / E…H基序的三个高度保守的残基螯合。然而,参与2-OG结合的残基不是普遍保守的,而是具有亚家族特征的。

最近,人们发现衣藻中的TET同源物名为CMD1,表现出新的酶促活性。体外生化研究表明,重组CMD1可通过直接碳-碳键催化甘油基与5mC的C5-甲基结合,从而导致新的DNA碱基修饰,称为C5-甘油-甲基胞嘧啶(5gmC)。像其他TET蛋白一样,CMD1的酶活性是Fe2 +依赖性的,需要存在一个保守的HXD…H基序。但是,与经典的TET蛋白不同,CMD1使用维生素C(VC,L-抗坏血酸)而不是2-OG作为共底物。

VC被广泛用作有效的抗氧化剂,以还原和中和氧化剂,例如自由基和活性氧,或作为Fe2 + / 2-OG依赖的双加氧酶的还原剂,以增强其催化活性;但没有研究表明VC可以充当共同底物。体内功能研究进一步表明,绿色藻类基因组DNA中存在5gmC修饰,敲除CMD1时修饰水平显著降低,并且5gmC修饰在调节光合作用以适应强光下起着至关重要的作用。这些研究不仅确定了新的真核生物DNA碱基修饰作为潜在的表观遗传标记,并暗示了绿藻基因组中5mC的新命运,而且还发现了类似TET的酶的新活性,并揭示了VC在表观遗传调控中的功能。然而,潜在的分子机制仍然未知。

在这项工作中,该研究对CMD1进行了体外DNA结合测定,结果表明CMD1对不同长度,结构和5mC水平的DNA表现出可比的结合亲和力。该研究确定了载脂蛋白形式的CMD1的晶体结构,并与VC或dsDNA以及VC和dsDNA形成复合物。结构分析表明,CMD1具有典型的DSBH折叠。活性位点的Fe2 +与HXD…H基序的三个保守残基协调。 

VC的内酯形式与活性位点结合,并以与Fe2 + / 2-OG依赖的双加氧酶中的2-OG不同的方式单配位Fe2 +。dsDNA通过磷酸盐骨架与CMD1的带正电荷的缝隙结合,甲基胞嘧啶或胞嘧啶从dsDNA翻转出来,插入活性位点,并被酶识别,类似于TET蛋白。体外酶活性测定表明,参与Fe2 +和VC结合的关键残基突变消除了该活性,而参与DNA结合的那些残基则大大削弱了该活性。总之,结构和生化数据一起揭示了CMD1如何识别DNA底物并利用VC作为共底物的分子基础,并提供了有关CMD1修饰5gmC DNA的催化反应的机理性见解。

参考消息:

https://www.nature.com/articles/s41467-021-21061-2

编者按:本文转载自微信公众号:iNature(ID:Plant_ihuman),作者:椰子


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