杨娜团队通过多尺度分子动力学模拟的手段揭示双泛素化修饰的组蛋白H3激活DNA甲基化酶DNMT1的动态分子机制

人源DNMT1因其N端RFTS（Replication Foci Targeting Sequence）结构域阻挡底物DNA的结合而表现低活性，已知双泛素化修饰的组蛋白H3（H3Ub2）可以激活DNMT1，但此激活过程的动态机制却不为人知。

近日，南开大学药学院杨娜课题组在Science China Life Sciences发表了题为“Mechanism studies of the activation of DNA methyltransferase DNMT1 triggered by histone H3 ubiquitination, revealed by multi-scale molecular dynamics simulations”的研究论文，揭示了H3Ub2通过与DNMT1的RFTS结构域结合，使RFTS中间连接区域的长螺旋弯曲，进一步促使其向远离催化结构域的逆时针方向翻转，从而以暴露DNMT1催化核心的方式激活DNMT1的动态机制。

前期研究发现，DNA甲基化相关核蛋白UHRF1以一种组蛋白H3泛素化依赖的方式激活DNMT1(Bostick et al., 2007; Nishiyama et al., 2013; Qin et al., 2015; Sharif et al., 2007)。已知H3Ub2通过与DNMT1的RFTS结构域结合识别DNMT1，解析的H3Ub2-RFTS复合物结构显示：组蛋白H3占据了DNMT1的一个自抑制loop所在位置，两个泛素基团与RFTS的N-端区域紧密结合。与DNMT1单独的结构相比，RFTS的N端与C端之间的连接长螺旋α4发生了明显的逆时针弯折(Ishiyama et al., 2017；Li et al., 2018)。这种弯折现象被认为是DNMT1解除自我抑制的关键所在。但由于缺少完整的结构信息以及动态过程描述，上述的动态激活机制需要进一步证实。

该研究通过多尺度分子动力学模拟研究发现，H3Ub2可以诱导RFTS中间连接螺旋的弯折，且这种“弯折”构象在除去H3Ub2的情况下可以通过动力学模拟恢复至“伸直”构象。此外，PCA主成分分析结合Community集群分析的结果显示，在与H3Ub2结合条件下，RFTS发生逆时针旋转，远离靠近催化核心的TRD（target recognition domain）结构域，致使DNMT1催化核心暴露。

进一步通过动力学模拟的方法监测了RFTS与TRD以及RTFS与催化核心CD（Catalytic Domain）之间的氢键网络动态变化。结果显示泛素结合后，RFTS与TRD-CD之间的氢键大部分被破坏。人为将形成这些氢键形成的关键残基突变后进行加速动力学模拟，结果显示RFTS与TRD-CD之间的间距明显拉大，减弱了RFTS与DNMT1催化核心的相互作用，为底物DNA进入CD催化域提供了条件。

该研究揭示了H3Ub2激活DNMT1的动态分子机制，包括①增加RFTS结构域中间连接长螺旋的弯折程度；②促使RFTS逆时针旋转，远离靠近催化核心的TRD结构域；③减弱RFTS与TRD和催化核心CD间的作用，为底物DNA进入CD催化域提供便利。

A. DNMT1一级序列及各结构域所处相对位置信息；B. H3Ub2激活DNMT1的动态机制模式图；C. 分子动力学模拟H3Ub2结合后DNMT1的构象变化。

该论文是南开大学药学院杨娜教授与中国科学院生物物理研究所朱冰研究员合作完成的成果，杨娜教授为该论文的通讯作者。南开大学药学院博士后孙霁雪为该论文的第一作者，药物化学生物学国家重点实验室博士后刘飞、药学院研究生袁龙啸等参与了此项工作。该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、生物大分子国家重点实验室开放课题、天津市杰出青年等基金的资助。

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https://doi.org/10.1007/s11427-021- 2179-8

转自：“中国科学杂志社”微信公众号

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