蒋华良组连发Nature子刊，PNAS文章

　　生物通报道：早年毕业于华东师范大学的蒋华良研究员主要研究方向是利用多种学科交叉的新方法和新技术，深入开展药物设计、药物新靶标的发现、药物靶标构象变化与药理功能关系等研究，近期其研究组与美国芝加哥大学化学系何川课题组合作，接连在Nature Chemical Biology和PNAS上发表重要研究成果。

在针对胸腺嘧啶DNA糖苷酶（Thymine-DNA glycosylase， TDG）底物选择性机制的研究中，两个课题组研究人员综合运用化学生物学、理论模拟等手段，阐明了TDG选择性切除DNA分子中被修饰的嘧啶碱基的分子机制。TDG能选择性剪切由TET蛋白催化5-甲基胞嘧啶（5mC）氧化产生的5-醛基胞嘧啶（5fC）及5-羧基胞嘧啶（5caC），继而启动下游DNA剪切修复（BER，base-excision repair）通路，将5mC还原成未修饰的胞嘧啶。然而，TDG如何在众多正常的胞嘧啶及5-甲基胞嘧啶中选择性切除5caC和5fC的机制并不明确。

何川教授课题组通过生物实验发现，TDG对于含有不同修饰胞嘧啶的DNA结合能力有显著不同。其与含有5caC和5fC的DNA结合能力最强，而与含5hmC，5mC及正常胞嘧啶的DNA几乎不结合。蒋华良课题组成员从计算生物学的角度出发，根据何川课题组解析得到的TDG与5caC的复合物晶体结构，开展了分子动力学模拟与结合自由能计算研究。通过计算发现，TDG活性口袋的Ile139可以和5caC形成较强的氢键相互作用，而同5mC和正常胞嘧啶不存在此相互作用。

另外，TDG活性口袋中的His151、Tyr152同5caC的5位羧基存在很强的极性相互作用，而与其它修饰的胞嘧啶如5mC和5hmC相互作用较弱。因此可以认为，TDG的活性口袋能选择性地结合5位具有负电性取代基的底物，如5caC或5fC。研究结果为进一步阐明TDG在表观遗传调控中扮演的作用提供了重要线索。

在转录因子AgrA调控机制的研究中，两个课题组进一步合作，阐明了细菌转录因子AgrA的DNA结合域中分子内二硫键的开关在群体感应agr信号系统中发挥的重要功能。何川课题组前期研究发现，在氧化信号刺激下，AgrA结构中C199和C228会形成分子内二硫键，导致AgrA与DNA的解离。蒋华良课题组成员从计算生物学角度出发，运用分子动力学模拟等手段，从分子水平揭示了二硫键形成引起的空间位阻效应是破坏AgrA与DNA的结合的重要原因。

同时，C199S的突变不会影响蛋白结构的稳定性，而C228S的突变破坏了DNA结合域的三维结构，暗示C199主要负责氧化感应，而C228对于维持蛋白结构的稳定性至关重要。模拟结果与相关突变实验结果相吻合，证实了氧化感应是agr群体感应信号系统中的一个重要组分，细菌通过这种功能调节，可以有效缓解由其自身代谢或宿主免疫造成的氧化压力。研究结果为深入理解细菌转录调控机制及新型抗菌药物的开发提供重要依据。

这些研究有机结合生物实验与计算模拟，积极探索表观遗传与转录调控的相互联系，以及它们在胚胎发育与疾病产生中扮演的作用。这为进一步靶向新的表观遗传与转录调控靶标，开发高效特异的小分子活性候选化合物提供了理论基础。

（生物通：万纹）

原文摘要：

Thymine DNA glycosylase specifically recognizes 5-carboxylcytosine-modified DNA
Human thymine DNA glycosylase (hTDG) efficiently excises 5-carboxylcytosine (5caC), a key oxidation product of 5-methylcytosine in genomic DNA, in a recently discovered cytosine demethylation pathway. We present here the crystal structures of the hTDG catalytic domain in complex with duplex DNA containing either 5caC or a fluorinated analog. These structures, together with biochemical and computational analyses, reveal that 5caC is specifically recognized in the active site of hTDG, supporting the role of TDG in mammalian 5-methylcytosine demethylation.

Quorum-sensing agr mediates bacterial oxidation response via an intramolecular disulfide redox switch in the response regulator AgrA
Oxidation sensing and quorum sensing significantly affect bacterial physiology and host–pathogen interactions. However, little attention has been paid to the cross-talk between these two seemingly orthogonal signaling pathways. Here we show that the quorum-sensing agr system has a built-in oxidation-sensing mechanism through an intramolecular disulfide switch possessed by the DNA-binding domain of the response regulator AgrA. Biochemical and mass spectrometric analysis revealed that oxidation induces the intracellular disulfide bond formation between Cys-199 and Cys-228, thus leading to dissociation of AgrA from DNA. Molecular dynamics (MD) simulations suggest that the disulfide bond formation generates a steric clash responsible for the abolished DNA binding of the oxidized AgrA. Mutagenesis studies further established that Cys-199 is crucial for oxidation sensing. The oxidation-sensing role of Cys-199 is further supported by the observation that the mutant Staphylococcus aureus strain expressing AgrAC199S is more susceptible to H2O2 owing to repression of the antioxidant bsaA gene under oxidative stress. Together, our results show that oxidation sensing is a component of the quorum-sensing agr signaling system, which serves as an intrinsic checkpoint to ameliorate the oxidation burden caused by intense metabolic activity and potential host immune response.  

作者简介：

蒋华良 ， 男，研究员，博士生导师。现任中国科学院上海药物研究所副所长、所学术委员会副主任、药物发现与设计中心主任。 蒋华良研究员 1987 年毕业于南京大学化学系，获得学士学位； 1992 年毕业于华东师范大学化学系，获得理学硕士学位； 1995 年毕业于中国科学院上海药物研究所，师从嵇汝运院士和陈凯先院士，获得理学博士学位。随后留在药物所工作，历任副研究员、研究员、博士生导师、药物发现与设计中心主任、所学术委员会副主任、副所长等职。他是国家杰出青年基金获得者，科技部 973 计划首席科学家，科技部 863 计划“生物和医药技术领域”专家组成员，科技部中长期规划重大基础研究项目“蛋白质科学研究”专家组成员，国家自然科学基金委重大研究计划“基于化学小分子探针的信号转导过程研究”专家组成员。

蒋华良 研究组发展和应用生物学、化学、计算机和信息科学等多种学科交叉的新方法和新技术，深入开展药物设计、药物新靶标的发现、药物靶标构象变化与药理功能关系等研究，他 带领一批年轻科技人员，在国内较早采用超级计算机进行受体结构与功能关系研究以及药物设计研究；发展了系统化的新一代分子模拟、药物设计和靶标发现方法和技术，包括生物大分子体系的大规模分子动力学模拟并行算法、高通量虚拟筛选方法、集中组合库设计方法、 ADME/T 分析方法、蛋白质－蛋白质相互作用预测方法和新靶标预测方法，建立了 “ 分子模拟 ? 药物设计 ? 化学合成 ? 生物测试 ? 结构生物学研究 ” 的创新药物研究平台；对 20 余种具有重要生理功能的生物大分子结构与功能关系进行分子动力学模拟研究，特别是在模拟跨膜蛋白和蛋白质构象变化研究方面取得重要的进展；与同事合作，应用上述药物设计和药物筛选平台，针对感染、代谢性疾病、早老性痴呆症等 8 种疾病的 30 多个重要靶标进行了药物先导化合物的发现和优化研究。根据药物设计的结果，共对 1,500 种天然产物和 3,000 多个合成化合物进行相应的靶向筛选，获得活性化合物 1,000 余个，一些化合物已进入临床前研究。与同事合作，整合分子模拟、药物设计平台以及分子与细胞生物学、生物物理和结构生物学技术，建立了药物作用新靶标发现与功能确证平台，进行了靶标发现和功能确证研究，发现 15 个疾病相关新基因，对 5 个基因的功能进行了确证，测定了相应蛋白的晶体结构。

蒋华良领导的研究组在 PNAS 、 JBC 、 JACS 、 JMB 、 J. Viol. 、 Chem. & Biol. 、 Nucleic Acids Research 等杂志共发表 SCI 论文 200 余篇，合作编写专著《计算机辅助药物设计：方法、原理及应用》，在国内影响较大；参加 8 本专著的编写；主持翻译了 J. Licinio 和 M.-L. Wong 主编的《药物基因组学－寻求个性化治疗》；申请专利 52 项；应邀为 Drug Discovery Today 、 Curr. Med. Chem. 、 Curr. Pharmcuet. Design 等杂志撰写综述 8 篇。 蒋华良曾多次在国际学术会议作邀请报告，任国际 “ 第九届胆碱酯酶国际会议 (The IX th International Meeting on Cholinesterases)” 共同主席， 4 次任国际会议分会主席；他的研究项目被列入欧盟 F6 框架研究计划；组织了蛋白质模拟和药物设计 EMBO 研讨班，为我国的药物设计和蛋白质模拟研究的发展作出了贡献。蒋华良还担任 Journal of Medicinal Chemistry 、 ChemMedChem 和 Quantitative Structure Activity Relationship and Combinatorial Science (QCS) 等 5 个国际杂志的编委或顾问委员会成员。