复旦大学、中科院Nature发布表观遗传新成果

　　

生物通报道  来自复旦大学、中科院上海药物研究所等机构的研究人员，揭示出了TET在介导DNA氧化去甲基化作用时的底物偏好及结构基础。研究成果发布在10月28日的《自然》（Nature）杂志上。

复旦大学上海医学院的徐彦辉(Yanhui Xu)教授和中科院上海药物研究所的罗成（Cheng Luo）研究员是这篇论文的共同通讯作者。徐彦辉教授的研究方向为染色质组装和修饰的调控机制、肿瘤发生信号转导通路、药物先导化合物的设计和筛选。罗成研究员的研究方向是理论模拟驱动的创新药/靶发现、确证及调控研究。

作为一种重要的表观遗传修饰，DNA甲基化广泛参与基因表达的调控，组蛋白修饰的建立等过程。在体内和体外的多种重编程过程中，DNA甲基化的去除对于全能性基因的激活和组蛋白修饰的重建十分重要。TET家族的双加氧酶能够将哺乳动物基因组中的5-甲基胞嘧啶（5mC）逐步氧化成5-羟甲基胞嘧啶（5hmC）、5-甲酰基胞嘧啶（5fC）和5-羧基胞嘧啶（5caC）（延伸阅读：曹雪涛院士Nature发布表观遗传重要成果 ）。哺乳动物的胸腺嘧啶糖苷酶（TDG）负责选择性识别和切除5fC和5caC，通过碱基切除修复使其恢复为普通胞嘧啶。

以往的研究表明5hmC的丰度是5fC/5caC的10-100倍，它在神经元、自我更新及多能的干细胞中水平相对较高，在癌细胞中水平大大降低。在小鼠胚胎干细胞中耗尽Tdg可导致5fC和5caC累积，增加2-10倍，但5hmC和5mC水平则无明显改变，表明胸腺嘧啶-DNA 糖基化酶( thymine-DNA glycosylase,TDG)并非导致5hmC和5fC/5caC差异性丰度的主要原因。体外生物化学分析表明，相比5hmC/5fC小鼠Tet2和阿米巴原虫Tet样蛋白对5mC显示更高的活性，表明TET酶有可能在控制5mC氧化衍生物水平上起重要作用。

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在这篇Nature新文章中，研究人员证实相比于5hmC/5fC-DNA底物，人类TET1和TET2对5mC-DNA具有更高的活性。他们获得了分辨率分别为1.80埃和1.97埃的TET2–5hmC-DNA和TET2–5fC-DNA复合物的晶体结构。

这些结构显示，TET2以相似的方式特异性识别5hmC/5fC的胞嘧啶部分以及TET2–5mC-DNA结构中5mC的胞嘧啶部分，在催化口袋内5mC/5hmC/5fC的嘧啶碱基采用了几乎相同的构象。但5hmC的羟基和5fC的羧基朝着相反的方向，这是因为5hmC的羧甲基和5fC甲酰基分别通过与NOG的1-羧化物和胞嘧啶的N4环外氮形成氢键呈现受限制的构象。

生物化学分析表明，TET2的底物偏好是由于TET2介导氧化中不同的抽氢反应效率所致。5hmC和5fC在催化口袋中受限制的构象有可能阻止了它们可抽取的氢采用有利于抽氢反应的定向，导致了低催化效率。

新研究揭示出了相比5hmC/5fC-DNA底物，TET蛋白对5mC-DNA具有更高的活性，这是由于氧化过程中TET蛋白催化口袋内5mC/5hmC/5fC不同的内在特性所致。因此，一旦在基因组中建立，5hmC不大容易进一步氧化，除非TET蛋白受到刺激变得更加活化。调控TET蛋白的基因组定位和/或酶活性或可精确控制5mC及其氧化衍生物的模式。研究结果表明，TET蛋白在进化上调整为对5hmC反应活性降低，促进了生成的5hmC作为一种稳定的标记实现调控功能。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Structural insight into substrate preference for TET-mediated oxidation

DNA methylation is an important epigenetic modification1, 2, 3. Ten-eleven translocation (TET) proteins are involved in DNA demethylation through iteratively oxidizing 5-methylcytosine (5mC) into 5-hydroxymethylcytosine (5hmC), 5-formylcytosine (5fC) and 5-carboxylcytosine (5caC)……

作者简介：

徐彦辉

复旦大学研究员，博士生导师， 课题组组长

徐彦辉在清华大学生物科学与技术系获得理学学士学位（1995-1999）。于1999-2004在清华大学饶子和教授（中科院院士）的实验室受到到结构生物学训练，并获得博士学位。于2004-1008年在美国普林斯顿大学分子生物学系施一公教授（现任职清华大学生命科学学院院长，中科院院士）实验室开展博士后研究工作。于2008年初受聘于复旦大学生物医学研究院，先后任职副研究员，研究员，博士生导师，复旦大学附属肿瘤医院兼职教授。

罗成

男，现任中国科学院上海药物研究所研究员、博士生导师。1994年毕业于福州大学化学专业；1994年在福州抗生素集团工作；2001年在复旦大学化学系获物理化学硕士；2004年在上海药物所获有机化学博士。2005至2008年在美国宾夕法尼亚大学Wistar研究所Ronen Marmorstein教授的表观遗传结构与功能实验室从事博士后研究工作。2008年受聘为上海药物研究所副研究员，2012年晋升为研究员。 

研究方向：理论模拟驱动的创新药/靶发现、确证及调控研究：靶向多种重要疾病关键酶或蛋白-蛋白相互作用，运用包括药物设计、计算生物学和生物信息学等多种理论模拟手段，开展先导化合物发现、确证及功能调控的化学生物学验证研究，为创新药物发现与功能研究奠定技术和物质基础。 

主要成果及获奖情况：围绕先导化合物的发现与优化这一新药研发的关键环节，针对重大疾病相关蛋白质靶标，综合运用理论模拟手段，开展化学生物学和分子与细胞生物学等多学科交叉的方法和技术，开展创新药靶及其先导化合物发现和作用机理研究。揭示了多个重要靶酶的调控机制；发现了一批具有进一步开发前景的先导化合物，6类以上为该靶标首次发现的先导化合物，其中一个化合物进入了临床前评价。共发表SCI论文120余篇，他引2000余次，总影响因子700以上。近5年研究结果在Nature、Nature Chem、JACS、PNAS、Cell Res和J Med Chem等重要杂志发表通讯、共同通讯或第一作者论文60篇；共同申请8项专利（美国专利1项），授权2项；主持“863”、基金委重大研究计划、面上等项目8项；培养（含共同培养）硕、博士研究生8名（1人获院长优秀奖、1人获“地奥”二等奖、3人次获研究生国家奖）。

入选国家杰出青年科学基金，中组部青年拔尖人才，教育部新世纪人才，上海市优秀学术带头人，上海市曙光学者，浦江人才等人才计划。获上海市青年科技英才奖，明治生命科学奖，中国生物物理学会“贝时璋青年科学家奖”等奖项。