中國農大JBC解析RNA去甲基化酶晶體結構

　　2014年3月10日，在百年老牌雜志《生物化學雜志》（Journal of Biological Chemistry）發表的一項最新研究中，中國農業大學、清華大學和多倫多大學的研究人員，報道了RNA去甲基化酶Alkbh5催化核心的5個高分辨率晶體結構。該研究的通訊作者為中國農業大學的陳忠周教授和清華大學的成昌梅博士，合作者包括加拿大多倫多大學Yufeng Tong教授。該課題受國家基礎研究973項目和國家自然科學基金等資助。

　　6-甲基腺嘌呤（N6-methyladenosine，m6A）是哺乳動物mRNA中最普遍和含量最豐富的一種RNA甲基化形式，也曾在植物和病 毒的RNA中被發現過，其甲基化由SAM類甲基化轉移酶催化而成。m6A是mRNA中存在的主要甲基化形式，可參與mRNA剪接、運輸等加工過程，在基因 表達調控中發揮重要的作用。m6A修飾主要以一種非化學計量的方式，發生在共有序列內，每個mRNA分子上只觀察到5個m6A位點。m6A位點富集在終止 密碼子附近和mRNA的3’非翻譯區，類似于DNA和蛋白質修飾，m6A甲基化是可逆的，可在時間和空間上通過甲基轉移酶和脫甲基酶調控。近年來，對于 m6A修飾的科學興趣越來越多。

　　Alkbh5屬于非血紅素鐵（II）/α-KG-dependent雙加氧酶的保守AlkB家族。大腸桿菌AlkB已被證明能夠修復DNA和RNA 中的3-meC、1-meA、3-meT、1-meG和其他損傷。人類基因組編碼9個AlkB同系物（Alkbh1–8和FTO）：Alkbh1是一種線 粒體蛋白，可將RNA和DNA中的3-meC去甲基化，Alkbh2和Alkbh3有與AlkB相同的修復活性，但是Alkbh3和AlkB更喜歡 ssDNA和ssRNA底物，而Alkbh2更喜歡dsDNA底物。Alkbh8能夠催化tRNA中超級修改的擺動尿苷羥基化，這與膀胱癌侵襲相關。 FTO最初被證實能夠去甲基化合成的ssDNA和ssRNA中的3-甲基胸腺嘧啶和3-胸腺嘧啶。結構研究證實，FTO可選擇地禁止雙鏈核酸。此外，最近 有報道指出，FTo對m6A表現出較高的去甲基化活性，證實ssRNA含有的m6A是這種酶的優先底物。

　　Alkbh5是缺氧誘導因子1（HIF-1）的直接轉錄目標，通過一系列細胞類型的缺氧誘導。Alkbh5的表達可以由PRMT7負調控。一項蛋白 質組學研究表明，Alkbh5會優先結合編碼序列的遠端5’區。雖然多年來，我們已經認識Alkbh5，但是這種酶的底物和作用一直難以捉摸。

　　2013年，楊運桂和何川在《Molecular Cell》發表論文指出，Alkbh5是第二個哺乳動物RNA脫甲基酶，能夠在體外和體內去除m6A的修飾。這項研究從生化、基因組學、細胞及模式生物多 層次水平上，發現和鑒定了第二個m6A去甲基化酶與FTO同屬加雙酶AlkB家族的ALKBH5，進一步證實了可逆m6A甲基化調控mRNA表達水平和 RNA代謝過程；ALKBH5敲除小鼠生精小管細胞中mRNA的m6A甲基化水平升高，同時引起睪丸萎縮，精子數量減少，質量下降，生育率下降等病變，證 實ALKBH5介導的RNA m6A去甲基化調控精子發育等重要生理功能。在今年1月份，何川又發表了mRNA化學修飾的最新進展：何川教授Nature發布表觀遺傳學重要發現。

　　鑒于Alkbh5作為m6A RNA脫甲基酶的顯著生物學作用，闡明Alkbh5脫甲基活性的分子機制，引起了相當大的科學興趣。為此，在這項研究中，研究人員報道了Alkbh5催化 核心的5個高分辨率晶體結構。他們發現，相比較其他AlkB蛋白，Alkbh5在這個家族典型的保守雙鏈β螺旋頂部，顯示出幾個獨特的結構特性。

　　在這些獨特的特征當中，Alkbh5一個截然不同的蓋區，在底物識別和催化過程中起著重要的作用。在Cys230和Cys267之間結合的一個意想 不到的二硫鍵，通過給中央β折疊帶來一個翻轉域，是Alkbh5與單鏈RNA/DNA選擇性結合的關鍵。研究人員根據幾個結構引導的定點突變的脫甲基活性 檢測，制備了一個Alkbh5底物結合模型。使用各種α-酮戊二酸（α-KG）類似物進行了晶體學和生化研究，結果表明，Alkbh5的活性部位腔比 FTO的小得多，并優先結合小分子抑制劑。

　　總而言之，這些研究結果為理解Alkbh5的底物識別特異性，提供了結構基礎，并為抗AlkB家族成員的選擇性藥物設計提供了依據。