中国学者首次揭示ALKBH1作为未配对DNA的N6-mA去甲基化酶

来源：iNature

原标题：Cell Res：中国学者首次揭示ALKBH1作为未配对DNA的N6-mA去甲基化酶

DNA的N6-甲基腺嘌呤（N6-mA）是哺乳动物基因组中新兴的表观遗传标记。 N6-mA的水平在早期胚胎发生过程中经历了剧烈的波动，这表明存在活跃的调节作用。

2020年2月12日，清华大学李海涛及耶鲁大学Andrew Xiao共同通讯在Cell Research 在线发表题为“Mammalian ALKBH1 serves as an N6-mA demethylase of unpairing DNA”的研究论文，该研究显示了2-氧戊二酸依赖性加氧酶ALKBH1在哺乳动物基因组的未配对区域（例如SIDD，应激诱导的DNA双螺旋失稳区域）中充当N6-mA的去甲基化酶。酶分析研究表明，ALKBH1更喜欢用bubbled和凸起的DNA作为底物，而不是单链（ss-）或双链（ds-）DNA。 ALKBH1的结构研究表明，其“ Flip1”基序具有意想不到的“延伸”构象，这是一个保守的元素，通常在催化中心弯曲以利于其他DNA去甲基酶中的底物碱基翻转。因此，缺乏弯曲“ Flip1”解释了观察到的ALKBH1对于不配对底物的偏爱，其中翻转的N6-mA已准备好进行催化。结合到21-mer凸起DNA上的ALKBH1的共晶体结构研究解释了需要侧翼双链体和翻转的碱基来进行识别和催化。通过基于结构的诱变研究验证了关键元素（例如，ALKBH1特异性的α1螺旋）以及有助于结构完整性和催化活性的残基。此外，ssDNA-seq和DIP-seq分析显示，小鼠基因组中碱基不配对区与N6-mA显著共存。总的来说，该研究的生化，结构和基因组研究表明，ALKBH1是一种重要的DNA去甲基酶，可调节与动态染色体调控相关的未配对区域的基因组N6-mA转换。

2020年2月12日，中国农业大学陈忠周及中国科学院生物物理所Yan Xiao-Xue共同通讯在Cell Research 在线发表题为“Structural basis of nucleic acid recognition and 6mA demethylation by human ALKBH1”的研究论文，该研究揭示了hALKBH1的几个独特结构特征，并发现了其新颖的天然底物。 该研究的发现可进一步用于研究6mA修饰在不同基本生物学过程和DNA表观遗传学领域的调控机制，以指导未来的药物研究。

依赖于2-氧戊二酸（2OG或α-KG）的加氧酶的AlkB家族在进化上是保守的，并与核苷酸去甲基化有关。作为其家族的成员，AlkB同源物1（ALKBH1）于1996年首次被发现。然而，迄今为止其酶活性仍存在争议。同时，已证明ALKBH1在胚胎发生中的功能重要性来自几项独立研究的Alkbh1基因敲除小鼠，发现ALKBH1在基因调控和早期发育中具有独特的作用。

最近在真核基因组中鉴定出DNA N6-脱氧甲基腺苷（N6-mA），扩大了表观遗传标记的范围。在小鼠胚胎干细胞（mESCs）中，N6-mA被证明在年轻的LINE-1转座子中富集，其沉积与表观遗传沉默相关。在脊椎动物中，N6-mA被进一步显示为高丰度（〜0.1％–受精后0.2％N6-mA / dA）并随着胚胎发育而降低至背景水平（<0.001％）。此外，在环境压力下，小鼠脑中也检测到较高水平的N6-mA，以及高度恶性的脑癌胶质母细胞瘤都提示了N6-mA的主动调节过程。然而，到目前为止，ALKBH1的确切生化活性和潜在的分子基础仍不清楚。

在这里，研究人员报告了ALKBH1对DNA N6-mA脱甲基化的生化，结构和基因组研究。通过建立可靠的体外酶促测定，该研究证明ALKBH1更喜欢bubbled和凸起的DNA，而不是ssDNA或dsDNA底物。该研究进一步将ALKBH1的有利底物概括为与侧翼双链体（例如D环，R环和DNA或RNA茎环）共享局部不配对特征的核酸。

无底物和21-mer凸起DNA结合状态下的ALKBH1的结构研究表明，观察到的底物偏爱的分子决定因素包括延伸的Flip1基序和功能性必不可少的N端“α1”螺旋的独特特征。此外，ssDNA-seq和DIP-seq分析揭示了小鼠早期发育细胞系中N6-mA与碱基未配对区的显著共定位，突出了哺乳动物ALKBH1在动态基因组调控中的作用。总的来说，该研究的生化，结构和基因组研究表明，ALKBH1是一种重要的DNA去甲基酶，可调节与动态染色体调控相关的未配对区域的基因组N6-mA转换。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41422-019-0237-5

https://www.nature.com/articles/s41422-019-0233-9