2021-08-07【研究进展】徐彦辉等《自然》揭示TET蛋白底物偏好性机制

科学网10月29日上海讯（记者黄辛）今天，国际顶级学术期刊《自然》（Nature）在线发表了复旦大学生物医学研究院徐彦辉教授课题组的论文。该项研究成果揭示了TET蛋白底物偏好性机制，对研究多种疾病的发病机制，尤其对血液肿瘤（如髓系白血病）治疗性药物开发有重大意义。
这篇题为“晶体结构揭示TET蛋白介导的氧化反应底物偏好性机制”的研究论文，首次报道了TET蛋白对三种DNA甲基化衍生物不同催化活性的分子机制，为基因组中5-羟甲基胞嘧啶相对稳定存在提供了分子水平的解释。该论文是徐彦辉课题组在DNA甲基化领域作出的又一突破性成果。组长徐彦辉为复旦大学生物医学研究院研究员，复旦大学附属肿瘤医院兼职教授。该课题组曾于2013年在《细胞》杂志报道TET蛋白的三维结构，于2015年初在《自然》杂志报道DNA甲基化建立的机制研究（参考徐彦辉课题组网站，http://xtal.fudan.edu.cn/index-ch.html）。
据悉，人体基因组DNA是生命遗传信息的基本载体，生命延续和繁衍需要DNA上的一种“甲基化修饰”。“甲基化修饰”具有调控人体内特定基因的表达和决定细胞命运的作用，可使细胞发生程序化的改变。哺乳动物基因组的胞嘧啶上会产生甲基化修饰，称为5-甲基胞嘧啶(5mC，即第5种碱基)。而TET蛋白是哺乳动物细胞中的一种氧化酶，可以执行DNA去甲基化功能。近期研究发现，TET蛋白在去甲基化过程中，将5mC氧化为5hmC(5-羟甲基胞嘧啶，第6种碱基)后，可继续催化5-hmC转化为5-fC（5-醛基胞嘧啶，第7种碱基）和5-caC（5-羧基胞嘧啶，第8种碱基)。其中，5hmC在细胞内相对稳定存在，且其含量远远高于5fC和5caC。但这一现象一直没有合理的生物学解释。徐彦辉课题组综合利用结构生物学，生物化学和计算生物学等研究方法，揭开了这一谜底。
徐彦辉课题组的生化实验表明，TET蛋白对5mC具备很高活性(产生5hmC)，而对5hmC(产生5fC)和5fC(产生5caC)的活性很低。TET蛋白就如同连续的三个扶梯，在转化不同碱基的情况下，其转化速度明显不同，导致产生较多的5hmC和少量的5fC及5caC。结构研究发现，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获并被氧化为5hmC。5hmC和5fC由于已经有氧的存在，其在催化口袋中被限制住，不容易发生进一步的氧化反应，导致TET蛋白对这两种碱基活性降低。在这样的催化能力差异下，TET会很顺利将5mC产生5hmC，一旦5hmC产生，TET将不容易使其进一步氧化为5fC和5caC，导致细胞内5hmC相对稳定，并且其含量远远高于5fC和5caC。在特定的基因中区域，TET蛋白可能被特定的调控因子激活，会跨越能垒阻碍产生高活性的TET，连续氧化为5fC和5caC。这使得5mC在TET蛋白催化下更容易被氧化为5hmC。这一发现解决了困扰表观遗传学领域的一个难题，也为揭示其他蛋白质逐步催化反应的分子机制提供了新思路和新方法。
据悉，该项工作是由复旦大学徐彦辉课题组与中国科学院上海药物所罗成课题组合作完成的，徐彦辉课题组的胡璐璐博士和程净东博士，以及罗成课题组的卢俊彦博士是该项工作的主要完成人。该项研究的结构数据是在中科院上海光源BL-17U，国家蛋白质科学中心BL-19U等线站上采集。