復(fù)旦大學(xué)徐彥輝課題組揭示TET蛋白底物偏好性機制 成果在線發(fā)表于《自然》
10月29日，國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）在線發(fā)表了復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院徐彥輝教授課題組的論文。該成果揭示了TET蛋白底物偏好性機制，對研究多種疾病的發(fā)病機制,尤其對血液腫瘤（如髓系白血?。┲委熜运幬镩_發(fā)有重大意義。
這篇題為“Structural insight into substrate preference for TET-mediated oxidation”(晶體結(jié)構(gòu)揭示TET蛋白介導(dǎo)的氧化反應(yīng)底物偏好性機制)的研究論文，首次報道了TET蛋白對三種DNA甲基化衍生物不同催化活性的分子機制，為基因組中5-羥甲基胞嘧啶相對穩(wěn)定存在提供了分子水平的解釋。該論文是徐彥輝課題組在DNA甲基化領(lǐng)域作出的又一突破性成果。組長徐彥輝為復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院研究員，復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院兼職教授。課題組曾于2013年在《細(xì)胞》雜志報道TET蛋白的三維結(jié)構(gòu)，于2015年初在《自然》雜志報道DNA甲基化建立的機制研究（參考徐彥輝課題組網(wǎng)站，http://xtal.fudan.edu.cn/index-ch.html）。
據(jù)悉，人體基因組DNA是生命遺傳信息的基本載體，生命延續(xù)和繁衍需要DNA上的一種“甲基化修飾”。“甲基化修飾”具有調(diào)控人體內(nèi)特定基因的表達(dá)和決定細(xì)胞命運的作用，可使細(xì)胞發(fā)生程序化的改變。哺乳動物基因組的胞嘧啶上會產(chǎn)生甲基化修飾，稱為5-甲基胞嘧啶(5mC, 即第5種堿基)。而TET蛋白是哺乳動物細(xì)胞中的一種氧化酶，可以執(zhí)行DNA去甲基化功能。近期研究發(fā)現(xiàn)，TET蛋白在去甲基化過程中，將5mC氧化為5hmC (5-羥甲基胞嘧啶, 第6種堿基)后，可繼續(xù)催化5-hmC轉(zhuǎn)化為5-fC（5-醛基胞嘧啶，第7種堿基）和5-caC（5-羧基胞嘧啶，第8種堿基)。其中，5hmC在細(xì)胞內(nèi)相對穩(wěn)定存在，且其含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于5fC和5caC。但這一現(xiàn)象一直沒有合理的生物學(xué)解釋。徐彥輝課題組綜合利用結(jié)構(gòu)生物學(xué)，生物化學(xué)和計算生物學(xué)等研究方法，揭開了這一謎底。
徐彥輝課題組的生化實驗表明，TET蛋白對5mC具備很高活性(產(chǎn)生5hmC)，而對5hmC(產(chǎn)生5fC)和5fC(產(chǎn)生5caC)的活性很低。TET蛋白就如同連續(xù)的三個扶梯，在轉(zhuǎn)化不同堿基的情況下，其轉(zhuǎn)化速度明顯不同，導(dǎo)致產(chǎn)生較多的5hmC和少量的5fC及5caC (如圖所示)。結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，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獲并被氧化為5hmC。5hmC和5fC由于已經(jīng)有氧的存在，其在催化口袋中被限制住，不容易發(fā)生進一步的氧化反應(yīng)，導(dǎo)致TET蛋白對這兩種堿基活性降低。在這樣的催化能力差異下，TET會很順利將5mC產(chǎn)生5hmC，一旦5hmC產(chǎn)生，TET將不容易使其進一步氧化為5fC和5caC，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)5hmC相對穩(wěn)定，并且其含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于5fC和5caC。在特定的基因中區(qū)域，TET蛋白可能被特定的調(diào)控因子激活，會跨越能壘阻礙產(chǎn)生高活性的TET，連續(xù)氧化為5fC和5caC。這使得5mC在TET蛋白催化下更容易被氧化為5hmC。這一發(fā)現(xiàn)解決了困擾表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域的一個難題，也為揭示其他蛋白質(zhì)逐步催化反應(yīng)的分子機制提供了新思路和新方法。
該項工作由復(fù)旦大學(xué)徐彥輝課題組與中國科學(xué)院藥物所羅成課題組合作完成，徐彥輝課題組的胡璐璐博士和程凈東博士，以及羅成課題組的盧俊彥博士是該項工作的主要完成人。該項研究的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)在上海光源BL-17U，國家蛋白質(zhì)科學(xué)中心BL-19U等線站上采集。該研究得到科技部、國家自然科學(xué)基金的資助。
作者：徐彥輝課題組
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