最近，中科院上海藥物研究所楊財(cái)廣課題組等在Nature Structural and Molecular Biology等期刊上發(fā)表研究論文,，揭示核酸氧化酶識(shí)別甲基化堿基損傷的分子機(jī)制,。
2002年有研究發(fā)現(xiàn)，大腸桿菌AlkB蛋白利用催化氧化去甲基化的反應(yīng)機(jī)理對核酸堿基上的烷基化損傷進(jìn)行修復(fù),，實(shí)現(xiàn)調(diào)控烷基化試劑對細(xì)菌的傷害,。這一發(fā)現(xiàn)掀起了該領(lǐng)域的研究熱潮。后續(xù)研究陸續(xù)揭示了人同源蛋白ALKBH1-8,，F(xiàn)TO與TET1-3共12個(gè),，在核酸的甲基化堿基損傷修復(fù)和表觀遺傳修飾中發(fā)揮關(guān)鍵作用。值得注意的是,，ALKBH1-8中的若干個(gè)蛋白與腫瘤的發(fā)生與化療密切相關(guān),，肥胖相關(guān)的FTO基因可以影響到全球10億人的體重。十年中,，圍繞著這些酶的生物學(xué)功能與結(jié)構(gòu)研究一直是熱點(diǎn),。其中，對損傷堿基底物的分子識(shí)別機(jī)制的研究有利于深刻理解酶的作用方式,，而有針對性地開展酶活性調(diào)控研究具有科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值,。
結(jié)合在過去數(shù)年中對該領(lǐng)域研究整體趨勢的把握和研究工作的積累,，上海藥物所楊財(cái)廣課題組在揭示核酸去甲基化酶識(shí)別堿基損傷的分子機(jī)制研究中取得良好的進(jìn)展。研究回答的關(guān)鍵科學(xué)問題之一是,，為什么蛋白質(zhì)整體折疊高度相似的ALKBH2和ALKBH3,，對雙鏈和單鏈核酸底物具有高度的選擇特異性。楊財(cái)廣課題組通過基序互換分析技術(shù)和化學(xué)交聯(lián)方法,，揭示驗(yàn)證了蛋白質(zhì)“發(fā)夾”結(jié)構(gòu)域中三個(gè)關(guān)鍵氨基酸的組成直接決定了ALKBH3只能識(shí)別修復(fù)單鏈核酸底物中的堿基損傷,，ALKBH2更加傾向于雙鏈DNA中的損傷修復(fù)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在化學(xué)生物學(xué)期刊Molecular BioSystems (2010,，6,，2143-2149)上。
回答的關(guān)鍵科學(xué)問題之二是在眾多的正常核酸堿基中,，雙鏈DNA修復(fù)“管家”蛋白ALKBH2如何“大海撈針”般地準(zhǔn)確尋找,、識(shí)別、定位,、修復(fù)極其稀有的損傷堿基,。課題組與美國芝加哥大學(xué)化學(xué)系開展合作研究，與何川課題組一起利用結(jié)構(gòu)生物學(xué)和化學(xué)交聯(lián)的研究方法,，構(gòu)建了蛋白質(zhì)結(jié)合正常堿基序列雙鏈DNA的復(fù)合物,。通過若干復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)的解析，發(fā)現(xiàn)了ALKBH2蛋白質(zhì)利用“探針”氨基酸探測不穩(wěn)定的堿基對,，選擇性地實(shí)現(xiàn)堿基對打開和翻轉(zhuǎn),，并利用生物化學(xué)的方法驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)中所發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。Aaron Dinner課題組利用量子計(jì)算化學(xué)計(jì)算了堿基對打開所需要的能量變化與理論值吻合,。綜合上述結(jié)構(gòu)生物學(xué),、生物化學(xué)和計(jì)算化學(xué)的研究結(jié)果，首次提出了ALKBH2探測識(shí)別損傷堿基的過程模型,。研究論文于2012年6月3日在線發(fā)表于Nature Structural and Molecular Biology,。北京大學(xué)的伊成器博士為第一作者，何川和楊財(cái)廣為通訊作者,。
該研究工作得到了中國科學(xué)院百人計(jì)劃的資助以及上海同步輻射光源的支持,。（生物谷Bioon.com）
doi:10.1038/nsmb.2320
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Duplex interrogation by a direct DNA repair protein in search of base damage
Chengqi Yi, Baoen Chen, Bo Qi, Wen Zhang, Guifang Jia, Liang Zhang, Charles J Li, Aaron R Dinner, Cai-Guang Yang & Chuan He
ALKBH2 is a direct DNA repair dioxygenase guarding the mammalian genome against N1-methyladenine, N3-methylcytosine and 1,N6-ethenoadenine damage. A prerequisite for repair is to identify these lesions in the genome. Here we present crystal structures of human ALKBH2 bound to different duplex DNAs. Together with computational and biochemical analyses, our results suggest that DNA interrogation by ALKBH2 has two previously unknown features: (i) ALKBH2 probes base-pair stability and detects base pairs with reduced stability, and (ii) ALKBH2 does not have nor need a damage-checking site, which is critical for preventing spurious base cleavage for several glycosylases. The demethylation mechanism of ALKBH2 insures that only cognate lesions are oxidized and reversed to normal bases, and that a flipped, non-substrate base remains intact in the active site. Overall, the combination of duplex interrogation and oxidation chemistry allows ALKBH2 to detect and process diverse lesions efficiently and correctly.
