上海生科院等揭示KDM5亞家族組蛋白去甲基化酶的底物識別機制

上海生科院等揭示KDM5亞家族組蛋白去甲基化酶的底物識別機制

2017-12-19 上海生命科學研究院

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　　12月12日，中國科學院植物逆境生物學研究中心杜嘉木課題組，中科院院士、中科院遺傳與發育生物學研究所曹曉風課題組合作完成的論文，以Structure of the Arabidopsis JMJ14-H3K4me3 Complex Provides Insight into the Substrate Specificity of KDM5 Subfamily Histone Demethylases為題，在線發表在The Plant Cell上，該研究利用結構生物學、生物化學和細胞生物學等手段，揭示了KDM5亞家族組蛋白去甲基化酶的底物識別機制。

　　組蛋白修飾在生物體生長發育過程中發揮著重要作用，與基因沉默、基因激活、腫瘤生成、染色體形態建成以及遺傳物質修復等生物學問題密切相關。對其分子機制的研究為探索生命本質以及開發相應的靶點藥物提供了理論依據。

　　以往研究表明，擬南芥JMJ14是一個含有jumonji結構域的組蛋白H3K4me3的去甲基化酶，從序列分析上屬於KDM5亞家族。人源的KDM5亞家族基因可以促進腫瘤生成及產生耐藥性，因而是重要的抗癌藥物靶標，但植物或動物中KDM5亞家族去甲基化酶的其底物識別機制尚不清楚。擬南芥的JMJ14已報導具有調控開花、RNA介導的基因沉默以及DNA甲基化等重要的生理過程，但其底物識別機制也不清楚。

　　研究中，研究人員使用了更精準的酶活測定系統，質譜結果表明JMJ14是一個H3K4me3和me2的去甲基化酶，而對me1作用不明顯。而後利用X射線晶體衍射的方法解析了JMJ14處於apo狀態和底物複合物狀態的結構。JMJ14主要有jumonji、helical以及C5HC2三個結構域組成，jumonji以及C5HC2結構域上的3個酸性胺基酸與組蛋白小肽上H3R2和H3Q5發生了大量的氫鍵以及鹽鍵的相互作用，形成特異性識別。將這幾個酸性胺基酸突變之後，JMJ14的體內酶活顯著下降，表明這幾個胺基酸確實參與了底物識別。此外，由於人源KDM5家族蛋白是重要的抗癌藥物靶標，而其底物識別機制還不是很清楚。通過胺基酸序列和三維結構比對發現，JMJ14參與底物識別的胺基酸在KDM5B中非常保守，暗示著它們採用了相似的底物識別機制。將KDM5B中相應的胺基酸突變後其酶活明顯下降，證明了以上猜想。該項工作不僅解析了以JMJ14為代表的KDM5亞家族H3K4me3去甲基化酶的去甲基化機制，還為以人源KDM5為靶標的抗癌藥物開發提供了理論基礎。

　　逆境中心質譜平臺為該研究提供了酶活實驗幫助，上海同步輻射光源國家蛋白質設施BL19U1（SSRF）為數據收集提供了及時有效的支持。研究工作得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金委以及中科院的資助。

　　JMJ14特異識別並催化組蛋白H3K4me3的分子機制。A.JMJ14催化結構域的表面電荷分布，組蛋白H3K4me3以棒狀模型展示。B.JMJ14特異識別組蛋白第二位的精氨酸，第五位的穀氨醯胺和第7位的丙氨酸。

　　12月12日，中國科學院植物逆境生物學研究中心杜嘉木課題組，中科院院士、中科院遺傳與發育生物學研究所曹曉風課題組合作完成的論文，以Structure of the Arabidopsis JMJ14-H3K4me3 Complex Provides Insight into the Substrate Specificity of KDM5 Subfamily Histone Demethylases為題，在線發表在The Plant Cell上，該研究利用結構生物學、生物化學和細胞生物學等手段，揭示了KDM5亞家族組蛋白去甲基化酶的底物識別機制。
　　組蛋白修飾在生物體生長發育過程中發揮著重要作用，與基因沉默、基因激活、腫瘤生成、染色體形態建成以及遺傳物質修復等生物學問題密切相關。對其分子機制的研究為探索生命本質以及開發相應的靶點藥物提供了理論依據。
　　以往研究表明，擬南芥JMJ14是一個含有jumonji結構域的組蛋白H3K4me3的去甲基化酶，從序列分析上屬於KDM5亞家族。人源的KDM5亞家族基因可以促進腫瘤生成及產生耐藥性，因而是重要的抗癌藥物靶標，但植物或動物中KDM5亞家族去甲基化酶的其底物識別機制尚不清楚。擬南芥的JMJ14已報導具有調控開花、RNA介導的基因沉默以及DNA甲基化等重要的生理過程，但其底物識別機制也不清楚。
　　研究中，研究人員使用了更精準的酶活測定系統，質譜結果表明JMJ14是一個H3K4me3和me2的去甲基化酶，而對me1作用不明顯。而後利用X射線晶體衍射的方法解析了JMJ14處於apo狀態和底物複合物狀態的結構。JMJ14主要有jumonji、helical以及C5HC2三個結構域組成，jumonji以及C5HC2結構域上的3個酸性胺基酸與組蛋白小肽上H3R2和H3Q5發生了大量的氫鍵以及鹽鍵的相互作用，形成特異性識別。將這幾個酸性胺基酸突變之後，JMJ14的體內酶活顯著下降，表明這幾個胺基酸確實參與了底物識別。此外，由於人源KDM5家族蛋白是重要的抗癌藥物靶標，而其底物識別機制還不是很清楚。通過胺基酸序列和三維結構比對發現，JMJ14參與底物識別的胺基酸在KDM5B中非常保守，暗示著它們採用了相似的底物識別機制。將KDM5B中相應的胺基酸突變後其酶活明顯下降，證明了以上猜想。該項工作不僅解析了以JMJ14為代表的KDM5亞家族H3K4me3去甲基化酶的去甲基化機制，還為以人源KDM5為靶標的抗癌藥物開發提供了理論基礎。
　　逆境中心質譜平臺為該研究提供了酶活實驗幫助，上海同步輻射光源國家蛋白質設施BL19U1（SSRF）為數據收集提供了及時有效的支持。研究工作得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金委以及中科院的資助。

　　JMJ14特異識別並催化組蛋白H3K4me3的分子機制。A.JMJ14催化結構域的表面電荷分布，組蛋白H3K4me3以棒狀模型展示。B.JMJ14特異識別組蛋白第二位的精氨酸，第五位的穀氨醯胺和第7位的丙氨酸。

列印 責任編輯：侯茜