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【科技前沿】南方科技大学杜嘉木团队成功解析ROS1和DNA底物复合物结构
主动DNA去甲基化在真核生物基因印迹和拮抗DNA甲基化中起着至关重要的作用。植物特异性沉默抑制因子1/DEMETER (ROS1/DME)家族酶直接去除5-甲基胞嘧啶(5mC),代表了一种不同于动物的有效DNA去甲基化途径。
2023年1月9日,南方科技大学杜嘉木研究组(杜璇为第一作者)联合朱健康研究组在Nature Plants 在线发表题为“Molecular basis of the plant ROS1-mediated active DNA demethylation”的研究论文,该研究分别报道了一个拟南芥ROS1催化片段与底物DNA、错配DNA和反应中间体配合物的冷冻电镜结构。底物5mC从DNA双链中翻转出来,随后分别通过疏水和氢键相互作用被ROS1碱基结合袋识别,而不同的质子化状态的碱基决定了5mC比T:G错配更偏爱底物。结合反应中间复合物的结构,结构和生化研究揭示了底物特异性的分子基础,以及植物特异性DNA去甲基酶ROS1/DME家族去甲基化5mC的反应机制。
总之,通过该研究阐明了植物特有的ROS1家族作为DNA去甲基化酶在底物识别和碱基去除过程中重要的分子作用机制,为后续基于ROS1作用原理的DNA去甲基化基因编辑工具的开发提供了参考。
DNA胞嘧啶碱基第5位甲基化是真核生物基因沉默、基因组印迹和基因组稳定性的重要表观遗传标记。DNA去甲基化将5mC转化回胞嘧啶,在基因激活中发挥平衡DNA甲基化的作用,塑造DNA甲基化边界,防止异常DNA甲基化引起的过度沉默。
生物化学上,DNA去甲基化可以通过复制后DNA甲基化不足来实现,称为被动DNA去甲基化,或通过酶去除5mC来实现,称为主动DNA去甲基化。在动物活性DNA去甲基化途径中,10-11易位(TET)家族DNA双加氧酶先后将5mC转化为5-羟甲基-、5-甲酰基-和5-羧基-胞嘧啶,胸腺嘧啶-DNA糖基化酶切除后两个修饰的碱基,使随后的DNA修复系统将无嘌呤/嘧啶(AP)位点变回胞嘧啶。
ROS1-5mC DNA复合物的结构(图源自Nature Plants )
相比之下,植物已经发展出一种更有效的方法来主动去甲基DNA。在拟南芥中,植物特异性双功能DNA糖基化酶/裂解酶阻阻物沉默1 (ROS1)(2002年ROS1首次被鉴定为植物的DNA去甲基化酶)及其同源物DEMETER (DME)、DME- like 2和DME- like 3直接切除5mC碱基,通过β-或δ-消除切割糖环,促进DNA修复系统填补胞嘧啶留下的缝隙。然而,这种植物特异性DNA去甲基化途径的结构基础尚不清楚。
该研究分别报道了一个拟南芥ROS1催化片段与底物DNA、错配DNA和反应中间体配合物的冷冻电镜结构。底物5mC从DNA双链中翻转出来,随后分别通过疏水和氢键相互作用被ROS1碱基结合袋识别,而不同的质子化状态的碱基决定了5mC比T:G错配更偏爱底物。结合反应中间复合物的结构,结构和生化研究揭示了底物特异性的分子基础,以及植物特异性DNA去甲基酶ROS1/DME家族去甲基化5mC的反应机制。
利用ROS1识别底物(图源自Nature Plants )
总之,通过该研究阐明了植物特有的ROS1家族作为DNA去甲基化酶在底物识别和碱基去除过程中重要的分子作用机制,为后续基于ROS1作用原理的DNA去甲基化基因编辑工具的开发提供了参考。
文章链接:https://www.nature.com/articles/s41477-022-01322-8
本文转载自公众号“iNature”
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原标题:《【科技前沿】南方科技大学杜嘉木团队成功解析ROS1和DNA底物复合物结构》
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