阐明TET家族蛋白质底物偏好性机制

摘要 : 基因组中胞嘧啶的甲基化修饰是重要的表观遗传标记, 其动态变化参与了多种重要生物学过程。TET(ten-eleven translocation)家族蛋白质介导了5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine,5mC)的连续氧化, 相继生成5-羟甲基胞嘧啶(5-hydroxymethylcytosine, 5hmC)、5-醛基胞嘧啶(5-formylcytosine, 5fC)和5-羧基胞嘧啶(5-carboxylcytosine, 5caC)三种产物。生化实验结果表明, 虽然TET2可以连续催化5mC、5hmC和5fC的氧化, 但其对不同底物的催化效率具有明显差异, 针对5mC的催化效率最高, 而针对5fC的最低。这一特性可能对维持基因组甲基化状态稳定具有重要意义。然而, 生化与结构生物学实验均显示, TET2对不同底物结合与识别能力无明显差异。分子模拟与QM/MM计算结果表明, 整个反应循环中的第三步(氢抽提)为限速步骤, 且能垒趋势与实验观测反应效率一致, 并预测氢抽提反应的能垒差异主要来源于不同底物在反应中间体时取向不同。进一步的同位素动力学效应实验确证了氢抽提步骤为整个反应的限速步骤, 并且停留光谱实验证实, TET2对不同底物催化效率的差异来源于氢抽提步骤反应速率的不同。我们的研究首次阐明了TET2底物偏好性源于底物碱基5-位取代基自身的性质, 并且证实5hmC修饰由于不易于被TET2继续氧化而可在基因组中保持稳定。这对深入理解基因组去甲基化修饰的分子机制及对TET2及其家族蛋白小分子调控剂的研发具有重要意义。