研究發現衣藻中去甲基化酶CMD1催化以維生素C為底物的5mC去甲基化...

2020-12-20 生物谷

 

DNA甲基化是指DNA序列上特定的鹼基通過共價鍵結合的方式獲得一個甲基基團的化學修飾過程，是一種普遍存在於生物體的DNA修飾方式。DNA甲基化能夠在不改變DNA序列的前提下改變遺傳表現，是表觀遺傳學的核心研究領域之一。目前的研究表明，DNA甲基化與基因組印記、X染色體失活、轉座因子抑制、衰老和癌症發生等密切相關，因此是表觀遺傳學研究的重點和熱點之一。

CpG二核苷酸中的胞嘧啶上第5位碳原子在甲基化轉移酶（DNMTs）的催化下，發生甲基化的形成5mC。目前發現5mC廣泛分布於原核與真核生物中。在哺乳動物中催化5mC去甲基化主動修飾（AM，active modification）功能的是一種名為TET的雙加氧酶。如圖1所示，TET雙加氧酶可以將5mC逐步氧化為5hmC，5fC和5caC，最終在主動移除基團（AR，active removal）或是被動稀釋（PD，passive dilution）的作用下實現5mC的去甲基化。

目前，在大多數真核動物中對TET同源蛋白的研究仍是一片空白。中國科學院上海生化與細胞生物學研究所研究員徐國良課題組、復旦大學生命科學學院教授唐惠儒課題組和中國科學院水生生物研究所研究員黃開耀課題組綜合運用分子生物學、生物化學、遺傳學等技術發現在單細胞綠藻——萊茵衣藻中，TET的同源基因CMD1是如何行使其對5mC中甲基基團的修飾作用的。首先研究人員在萊茵衣藻中鑑定到CMD1等8個TET的同源基因，其共同特點是具有雙加氧酶中保守的HxD二價鐵結合模體，但不具有酮戊二酸（2-OG）的結合位點。由於酮戊二酸是目前已知的雙加氧酶的共同底物，因此說明萊茵衣藻中的TET同源基因可能涉及全新的DNA甲基化修飾機制。通過體外酶活分析實驗，研究人員檢測到5mC在CMD1酶的催化作用下甲基基團被修飾，生成兩種未知物質。應用核磁共振技術，研究人員最終確定了兩種未知物質是互為異構體的5gmC，即在5mC的甲基上通過C-C鍵加上了一個甘油基團。哺乳動物中的5mC修飾底物來自於酮戊二酸，而CMD1酶催化添加的甘油基團經過一系列同位素標記實驗被鑑定出來自於底物維生素C。因此，萊茵衣藻中具有TET的同源蛋白CMD1所催化的、以維生素C為底物對5mC的甲基進行甘油基修飾的全新機制，如圖2所示。

為闡明此機制在萊茵衣藻生理過程中的功能，研究人員通過CRISPR/Cas9技術獲得萊茵衣藻的cmd1突變體，並且發現突變體具有不耐受高光的表型，如圖3所示，此表型與突變體npq4相同。npq4突變體中缺失捕光複合體脅迫相關基因LHCSR3，從而使得非光化學淬滅（NPQ），一種在高光照時抵禦光損傷的重要機制受到抑制。進一步研究表明LHCSR3的表達水平在cmd1突變體中下調，而與此現象一致的是LHCSR3序列5 '端相比野生型發生了超甲基化。此實驗結果表明CMD1基因介導的5gmC修飾機制能夠通過去甲基化調控LHCSR3基因表達，從而影響萊茵衣藻對高光強的適應性。

這一研究應用單細胞綠藻——萊茵衣藻作為實驗材料，揭示了真核生物中的TET同源蛋白具有一種全新的DNA甲基化修飾機制，並且此修飾機制能夠直接調控基因的表達，從而影響光合作用等至關重要的生理功能。該研究對TET蛋白在萊茵衣藻中作用機制的闡明在真核生物的DNA甲基化研究中具有重要的參考價值。此外，基於萊茵衣藻的甲基化修飾機制有望建立新的真核生物全基因組甲基化圖譜的繪製方法，而且CRISPR/Cas9等技術的全面應用是萊茵衣藻中新方法發展與成熟的巨大推力。早前芝加哥大學教授何川課題組已在Cell上報導N6mA（N6甲基腺嘌呤）在萊茵衣藻基因組上的獨特分布，展示了6mA在真核生物中基因調控的功能。可見萊茵衣藻作為經典的研究光合作用和纖毛的真核單細胞模式生物，由於其易於培養、生長周期短、遺傳背景清晰等優越性，在表觀遺傳學中的研究前景也備受關注。(生物谷Bioon.com）

 

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