小分子調控DNA甲基化的結構與功能研究

《小分子調控DNA甲基化的結構與功能研究》是依託復旦大學，由徐彥輝擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：小分子調控DNA甲基化的結構與功能研究
• 依託單位：復旦大學
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：徐彥輝

項目摘要

DNA甲基化是重要的表觀遺傳修飾。TET蛋白氧化DNA甲基化並參與DNA去甲基化過程，在胚胎髮育，表觀遺傳調控的細胞編程與重編程過程中起作用。申請人前期工作解析了TET2-DNA複合物晶體結構，揭示了TET蛋白識別和催化DNA甲基化的分子機制(2013,Cell，唯一通訊作者)。以往研究及申請人前期工作發現多種小分子，如維他命C，ATP和α-KG類似物等，能夠顯著影響TET蛋白酶活性，調控DNA甲基化的動態變化。某些代謝小分子在腫瘤中大量累積，引起DNA甲基化紊亂導致腫瘤。本項目擬解析TET蛋白與多種小分子複合物的晶體結構，通過結構與功能研究，闡明小分子激活或抑制TET蛋白酶活性的分子機制，項目的完成將深入揭示小分子通過TET蛋白酶活性，參與DNA甲基化動態調節的分子機制，並為設計和開發靶向TET蛋白的藥物奠定重要的結構生物學基礎。

結題摘要

DNA甲基化是重要的表觀遺傳修飾。TET蛋白氧化DNA甲基化並參與DNA去甲基化過程，在胚胎髮育，表觀遺傳調控的細胞編程與重編程過程中起作用。本項目預期目標是解析TET蛋白與多種小分子複合物的晶體結構，通過結構與功能研究，闡明小分子激活或抑制TET蛋白酶活性的分子機制，項目的完成將深入揭示小分子通過TET蛋白酶活性，參與DNA甲基化動態調節的分子機制，並為設計和開發靶向TET蛋白的藥物奠定重要的結構生物學基礎。 在小分子調控TET活性的研究中，項目組發現ATP以及其他核苷酸，如GTP，CTP等，可以明顯激活TET的酶活性。由於ATP與TET蛋白的結合能力非常弱（ KD＞1mM），未能獲得複合物的晶體結構。後續經過螢光、SPR（表面等離子共振技術）等方法檢測，發現ATP是通過促進TET蛋白與底物DNA的結合動態性來促進TET酶活性的。該項工作正在整理投稿。 在小分子調控TET活性的另一項研究中，項目組研究了VC激活TET的分子機制。我們的初步研究發現：VC結合到TET的催化活性中心，並且“在位”還原Fe3+離子，使反應能夠加速進行。該項研究還需要結構生物學和分子動力學的進一步支持和驗證，如果確證改假設，將為VC調控雙加氧酶的機制研究提供新的思路。 在TET的酶活性偏好性機制研究中，項目組發現TET蛋白對三種DNA底物有明顯的活性差異，就是對5mC的活性很高，而對5hmC，5fC的活性很低。通過結構和生化及動力學研究發現：在發生氧化反應中，5hmC、5fC在催化中心受到限制，不容易發生消氫作用，因此呈現活性低，而5mC中C-C鍵可以自由旋轉，三個氫原子可以指向催化的最最佳化方向（Nature, 2015b）。這一研究很好的證明了細胞內5hmC的水平遠遠高於5fC和5caC，說明5hmC，5fC相對穩定而不容易發生氧化反應。TET蛋白更容易產生5hmC。