研究揭示双加氧酶的低复杂度结构域调控DNA氧化去甲基化

1月4日，《自然-结构与分子生物学》（Nature Structural & Molecular Biology）在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心杜雅蕊/徐国良团队完成的题为Auto-suppression of Tet dioxygenases protects the mouse oocyte genome from oxidative demethylation的研究成果。该研究揭示了Tet双加氧酶催化活性中心的一个低复杂度结构域（Low complexity domain，LCD）介导该家族蛋白的酶活负调控，阐述了LCD保护卵母细胞甲基化组免受过度氧化的重要作用，显示DNA甲基化谱式的正常建立对于哺乳动物发育至关重要。

以5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine，5mC）为主的DNA甲基化是表观遗传调控的重要方式，在调控基因表达、建立基因印记、维持X染色体失活和转座子沉默等生理过程中发挥重要作用。DNA甲基转移酶（DNA methyltransferases，DNMTs）和Tet双加氧酶（Tet dioxygenases）共同调控DNA甲基化谱式的形成。Tet双加氧酶介导的DNA氧化去甲基化的发现是近年来染色质与细胞命运研究领域的重要进展。然而，迄今为止对于Tet蛋白的研究局限于基因敲除实验。科学家对Tet双加氧酶对5mC的时空和基因组位点特异性氧化的机制缺乏了解。

该研究发现LCD缺失的Tet3突变体的酶活显著增强。不同于以往对于Tet蛋白的研究局限于功能丧失的方法，研究利用基于孤雄单倍体干细胞技术的基因编辑策略，构建了酶活增强的小鼠模型，发现了卵子发生过程中Tet3的酶活受到精密调控：在野生型小鼠中，Tet3从卵母细胞时期就开始高表达，但其功能在卵子发生过程中受到抑制，受精之后才开始发挥其氧化去甲基化的功能；而卵母细胞中LCD的缺失解除了Tet3的酶活自抑制，使小鼠卵母细胞基因组5mC发生过度氧化。进一步，研究发现，Tet3ΔLCD突变蛋白倾向作用于原本高度甲基化的ERVK元件和母本印迹基因，且5mC高级氧化产物的产生伴随着H3K9me3水平的降低，从而解除了对ERVK等逆转座元件的双重抑制，影响了ERVK附近卵子发生相关基因的表达，导致卵母细胞及后续胚胎发育受损。该研究揭示了位于蛋白催化活性中心的低复杂度结构域LCD对Tet酶活的调控方式和生物学意义，拓宽了科学家对Tet酶活时空特异性调控的认知。

研究工作得到中国科学院、国家自然科学基金委员会、科学技术部等的资助，并获得分子细胞卓越中心动物实验技术平台和细胞分析技术平台的支持。

论文链接

Tet3 LCD作用机制的工作模型