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Natur熱文 | 中科院/復(fù)旦合作團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)維生素C可直接參與真核生物的DNA修飾
DNA的化學(xué)修飾對基因表達(dá)具有重要的調(diào)控作用。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的DNA修飾主要有5mC，6mA，5hmC，5fC，5caC，5hmU和base J（下圖）。5-甲基胞嘧啶(5mC)作為其中最重要的表觀遺傳修飾堿基，廣泛存在于多種生物的基因組中。近年研究發(fā)現(xiàn)，TET雙加氧酶(Ten-Eleven Translocation dioxygenases)可以對胞嘧啶的5位甲基進(jìn)行逐步氧化，依次生成5-羥甲基胞嘧啶(5hmC), 5-醛基胞嘧啶(5fC)以及5-羧基胞嘧啶(5caC)（下圖）。后兩者可以被TDG糖苷酶識(shí)別，通過堿基切除修復(fù)(Base Excision Repair)途徑，完成DNA去甲基化過程【1-3】。
除了哺乳動(dòng)物，其他很多生物中也存在TET雙加氧酶的同源蛋白，包括一些單細(xì)胞真核生物，比如萊茵衣藻。但我們對這些TET同源蛋白的認(rèn)識(shí)還幾乎是一片空白。解析其他生物中TET的酶活性與功能，可以幫助我們理解TET在進(jìn)化過程中的保守性，并有助于深入解析DNA的去甲基化究竟怎么發(fā)生。
2019年5月2日，Nature期刊在線發(fā)表了由我國科研人員徐國良、唐惠儒與黃開耀共同指導(dǎo)、中科院與復(fù)旦大學(xué)等多個(gè)單位協(xié)作完成的題為A vitamin C-derived DNA modification catalysed by an algal TET homologue的研究成果。該工作發(fā)現(xiàn)，在研究光合作用和纖毛的真核單細(xì)胞模式生物—萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）中，TET同源蛋白可以將維生素C的半個(gè)分子的碳基骨架轉(zhuǎn)移到DNA上，從而產(chǎn)生一種全新的DNA表觀修飾。（原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1160-0）
研究者們首先在衣藻中找到了8個(gè)TET同源蛋白。對其中的CrTET1進(jìn)行酶活分析后，發(fā)現(xiàn)這一蛋白具有不同于哺乳動(dòng)物TET的5mC催化活性，并將其命名為CMD1 (5-methylcytosine modification enzyme 1)。進(jìn)一步研究表明，CMD1可催化5mC產(chǎn)生兩種新的DNA修飾核苷，分別被命名為P1, P2。通過質(zhì)譜與核磁共振實(shí)驗(yàn)，研究者解析了他們各自的化學(xué)結(jié)構(gòu)。P1和P2互為立體異構(gòu)體，它們在5mC的甲基碳上衍生了一個(gè)甘油基,因此研究者們將這個(gè)新的DNA修飾核苷命名為5-glyceryl-methylcytosine (5gmC)。這也是在自然界中發(fā)現(xiàn)的第12種DNA堿基（第8種DNA修飾堿基）。
在研究5gmC新增的甘油基的來源時(shí)，研究者驚喜地發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)雙加氧酶反應(yīng)中所必需的α-酮戊二酸(2-oxoglutarate, 2-OG)【4】存在與否對CMD1的酶活并無任何影響，這表明CMD1在反應(yīng)機(jī)理上與TET有所不同。維生素C (Vitamin C, VC)替代了2-OG參與CMD1的酶活反應(yīng)。更令人驚訝的是，VC的C4-C6碳基骨架的部分被轉(zhuǎn)移到5mC上，在5mC基礎(chǔ)上形成了5gmC，這表明小分子代謝物對表觀遺傳學(xué)的影響可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出目前的理解范圍。在此基礎(chǔ)上研究者們進(jìn)一步解析了CMD1酶活反應(yīng)的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)CO2與乙醛酸為VC的反應(yīng)副產(chǎn)物。
研究者們還進(jìn)一步闡述了CMD1酶以及5gmC修飾的生理功能。他們首先在衣藻中開發(fā)完善了高效的CRISPR/Cas9基因編輯方法，獲得了CMD1突變以及VTC2突變（VC合成過程的一個(gè)關(guān)鍵基因）藻株。在分別敲除兩種基因的藻株中，5gmC含量都明顯降低，而5mC含量則明顯增加。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，cmd1突變藻株對強(qiáng)光的適應(yīng)能力明顯降低，RNA-Seq結(jié)果發(fā)現(xiàn)衣藻中與適應(yīng)強(qiáng)光有直接關(guān)系的LHCSR3基因顯著下調(diào)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)LHCSR3.1基因的甲基化水平升高，這可能是導(dǎo)致其表達(dá)下調(diào)的一個(gè)原因。這也提示在某些特定區(qū)域內(nèi)，CMD1可能參與了DNA去甲基化。研究者認(rèn)為，除了與光合作用的調(diào)控有關(guān)以外，CMD1產(chǎn)生的DNA新修飾5gmC可能還有未知的生理功能有待探索。
總的來說，這項(xiàng)工作揭示了衣藻中存在一種由TET同源蛋白CMD1產(chǎn)生的全新的核酸修飾，使DNA雙鏈形成四個(gè)碳原子相連的分叉，同時(shí)這種修飾介導(dǎo)光合作用的反饋調(diào)控。這項(xiàng)工作中CMD1催化的生化反應(yīng)、維生素C的新功能以及甲基化DNA之上的進(jìn)一步修飾都是令人驚喜的發(fā)現(xiàn)，它們極大地拓展了DNA結(jié)構(gòu)與功能的內(nèi)涵，加深了人們對生物適應(yīng)環(huán)境機(jī)制的認(rèn)識(shí)。
徐國良團(tuán)隊(duì)在DNA氧化去甲基化領(lǐng)域探索十余年，發(fā)現(xiàn)了動(dòng)物TET酶催化產(chǎn)生5caC而參與DNA主動(dòng)去甲基化（Science, 2011）;揭示了TET酶在哺乳動(dòng)物胚胎發(fā)育中的作用（Nature, 2011; Nature, 2016）（詳見：徐國良院士在《Nature》發(fā)表文章闡明TET家族蛋白在胚胎發(fā)育中的重要作用）。
據(jù)悉，除上述三個(gè)課題組以外，中科院生化與細(xì)胞研究所丁建平、陳洛南，中科院有機(jī)所劉文、朱正江，上海師范大學(xué)馬為民，中科院營養(yǎng)所尹慧勇，RWTH Aachen University的Elmar Weinhold，University of Pennsylvania的Rahul M. Kohli等實(shí)驗(yàn)室也參與了最近發(fā)表的研究。徐國良課題組薛劍煌博士、陳國棟博士、陳輝，以及唐惠儒課題組豪富華博士為本文共同第一作者。
參考文獻(xiàn)
1. Tahiliani, M. et al. Conversion of 5-methylcytosine to 5-hydroxymethylcytosine in mammalian DNA by MLL partner TET1. Science 324, 930-935, (2009).
2. He, Y. F. et al. Tet-mediated formation of 5-carboxylcytosine and its excision by TDG in mammalian DNA. Science 333, 1303-1307, (2011).
3. Ito, S. et al. Tet Proteins Can Convert 5-Methylcytosine to 5-Formylcytosine and 5-Carboxylcytosine. Science 333, 1300-1303, (2011).
4. Hausinger, R. P. FeII/alpha-ketoglutarate-dependent hydroxylases and related enzymes.Critical reviews in biochemistry and molecular biology 39, 21-68, (2004).
（本文轉(zhuǎn)自BioArt）
