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中國農(nóng)大JBC解析RNA去甲基化酶晶體結(jié)構(gòu)
閱讀：583 發(fā)布時間：2014-3-132014年3月10日，在百年老牌雜志《生物化學(xué)雜志》（Journal of Biological Chemistry）發(fā)表的一項研究中，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)和多倫多大學(xué)的研究人員，報道了RNA去甲基化酶Alkbh5催化核心的5個高分辨率晶體結(jié)構(gòu)。該研究的通訊作者為中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的陳忠周教授和清華大學(xué)的成昌梅博士，合作者包括加拿大多倫多大學(xué)Yufeng Tong教授。該課題受國家基礎(chǔ)研究973項目和國家自然科學(xué)基金等資助。
6-甲基腺嘌呤（N6-methyladenosine，m6A）是哺乳動物mRNA中zui普遍和含量zui豐富的一種RNA甲基化形式，也曾在植物和病毒的RNA中被發(fā)現(xiàn)過，其甲基化由SAM類甲基化轉(zhuǎn)移酶催化而成。m6A是mRNA中存在的主要甲基化形式，可參與mRNA剪接、運輸?shù)燃庸み^程，在基因表達調(diào)控中發(fā)揮重要的作用。m6A修飾主要以一種非化學(xué)計量的方式，發(fā)生在共有序列內(nèi)，每個mRNA分子上只觀察到5個m6A位點。m6A位點富集在終止密碼子附近和mRNA的3’非翻譯區(qū)，類似于DNA和蛋白質(zhì)修飾，m6A甲基化是可逆的，可在時間和空間上通過甲基轉(zhuǎn)移酶和脫甲基酶調(diào)控。近年來，對于m6A修飾的科學(xué)興趣越來越多。
Alkbh5屬于非血紅素鐵（II）/α-KG-dependent雙加氧酶的保守AlkB家族。大腸桿菌AlkB已被證明能夠修復(fù)DNA和RNA中的3-meC、1-meA、3-meT、1-meG和其他損傷。人類基因組編碼9個AlkB同系物（Alkbh1–8和FTO）：Alkbh1是一種線粒體蛋白，可將RNA和DNA中的3-meC去甲基化，Alkbh2和Alkbh3有與AlkB相同的修復(fù)活性，但是Alkbh3和AlkB更喜歡ssDNA和ssRNA底物，而Alkbh2更喜歡dsDNA底物。Alkbh8能夠催化tRNA中超級修改的擺動尿苷羥基化，這與膀胱癌侵襲相關(guān)。FTOzui初被證實能夠去甲基化合成的ssDNA和ssRNA中的3-甲基胸腺嘧啶和3-胸腺嘧啶。結(jié)構(gòu)研究證實，F(xiàn)TO可選擇地禁止雙鏈核酸。此外，zui近有報道指出，F(xiàn)To對m6A表現(xiàn)出較高的去甲基化活性，證實ssRNA含有的m6A是這種酶的優(yōu)先底物。
Alkbh5是缺氧誘導(dǎo)因子1（HIF-1）的直接轉(zhuǎn)錄目標(biāo)，通過一系列細胞類型的缺氧誘導(dǎo)。Alkbh5的表達可以由PRMT7負調(diào)控。一項蛋白質(zhì)組學(xué)研究表明，Alkbh5會優(yōu)先結(jié)合編碼序列的遠端5’區(qū)。雖然多年來，我們已經(jīng)認識Alkbh5，但是這種酶的底物和作用一直難以捉摸。
2013年，楊運桂和何川在《Molecular Cell》發(fā)表論文指出，Alkbh5是第二個哺乳動物RNA脫甲基酶，能夠在體外和體內(nèi)去除m6A的修飾。這項研究從生化、基因組學(xué)、細胞及模式生物多層次水平上，發(fā)現(xiàn)和鑒定了第二個m6A去甲基化酶與FTO同屬加雙酶AlkB家族的ALKBH5，進一步證實了可逆m6A甲基化調(diào)控mRNA表達水平和RNA代謝過程；ALKBH5敲除小鼠生精小管細胞中mRNA的m6A甲基化水平升高，同時引起睪丸萎縮，精子數(shù)量減少，質(zhì)量下降，生育率下降等病變，證實ALKBH5介導(dǎo)的RNA m6A去甲基化調(diào)控精子發(fā)育等重要生理功能。在今年1月份，何川又發(fā)表了mRNA化學(xué)修飾的進展：何川教授Nature發(fā)布表觀遺傳學(xué)重要發(fā)現(xiàn)。
鑒于Alkbh5作為m6A RNA脫甲基酶的顯著生物學(xué)作用，闡明Alkbh5脫甲基活性的分子機制，引起了相當(dāng)大的科學(xué)興趣。為此，在這項研究中，研究人員報道了Alkbh5催化核心的5個高分辨率晶體結(jié)構(gòu)。他們發(fā)現(xiàn)，相比較其他AlkB蛋白，Alkbh5在這個家族典型的保守雙鏈β螺旋頂部，顯示出幾個*的結(jié)構(gòu)特性。
在這些*的特征當(dāng)中，Alkbh5一個截然不同的蓋區(qū)，在底物識別和催化過程中起著重要的作用。在Cys230和Cys267之間結(jié)合的一個意想不到的二硫鍵，通過給中央β折疊帶來一個翻轉(zhuǎn)域，是Alkbh5與單鏈RNA/DNA選擇性結(jié)合的關(guān)鍵。研究人員根據(jù)幾個結(jié)構(gòu)引導(dǎo)的定點突變的脫甲基活性檢測，制備了一個Alkbh5底物結(jié)合模型。使用各種α-酮戊二酸（α-KG）類似物進行了晶體學(xué)和生化研究，結(jié)果表明，Alkbh5的活性部位腔比FTO的小得多，并優(yōu)先結(jié)合小分子抑制劑。