历经21年，南方科技大学杜嘉木/朱健康破解ROS1主动DNA去甲基化的分子机理

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。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41477-022-01322-8

转自：“iNature”微信公众号

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