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Angew. Chem. :人类RNA N1-甲基腺嘌呤(m1A)去甲基化酶ALKBH3分子机制解析

RNA N1-甲基腺嘌呤(N1-methyladenosine, m1A)是广泛存在于包括人类在内的真核生物RNA上的翻译后修饰,在甲基化酶和去甲基化酶的催化下,m1A在mRNA和tRNA上呈现动态分布,并通过调控RNA转录和翻译影响细胞功能。人类Fe2+/α-酮戊二酸依赖型双加氧酶家族成员ALKBH3是目前已知的主要RNA m1A去甲基化酶,其功能异常与多种重大疾病的发生发展密切相关,然而其催化分子机制尚未阐明。



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近日,上海交通大学张良研究员和北京大学贾桂芳研究员合作,综合运用非天然碱基共价交联和噬菌体展示抗体筛选等多种化学生物学技术,获得了稳定的ALKBH3-核酸底物-抗体的三元复合物并解析了复合物晶体结构,揭示了ALKBH3选择性识别RNA m1A修饰和去甲基化催化分子机制。

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研究发现,核酸底物的结合诱发ALKBH3发生显著的构象变化。一方面,ALKBH3的α2螺旋伸展成β-发卡结构,稳定活性口袋中的m1A碱基底物;另一方面,β4-β5发卡结构朝外移动,以便于单链核酸底物的结合并阻止双链核酸的结合。更重要的是,相较于ALKBH3高度类似的同源蛋白FTO催化RNA m1A同分异构体N6-甲基腺嘌呤(N6-methyladenosine, m6A)去甲基化不同,ALKBH3体现出了对RNA m1A的高度选择性。该选择性主要来自于ALKBH3催化口袋中两处关键位点:相对于FTO的狭窄催化口袋,ALKBH3在催化口袋一侧多插入了一个氨基酸(D194),造成该区域口袋外侧突出,从而在口袋内侧形成了额外的气泡状空间,实现了对m1A上甲基修饰的选择性容纳;同时,在催化口袋的另一侧,相对于FTO采用长侧链氨基酸R96参与m6A底物的稳定,ALKBH3 则采用了短侧链氨基酸T133,侧链的缩短为m1A在催化口袋中的翻转并引导其甲基指向Fe2+/α-酮戊二酸辅助因子进行催化提供了更大的额外空间。将ALKBH3 这两个底物识别关键区域的关键氨基酸与FTO的对应区域进行交换,ALKBH3即获得了催化RNA m6A去甲基化的活性。

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这一研究成果为深入理解核酸去甲基化酶系的修饰底物精准识别和去甲基化催化分子机制提供了科学依据,为揭示体内RNA m1A的动态调控和生物功能奠定了前期基础。

文信息

The Molecular Basis of Human ALKBH3 Mediated RNA N1-methyladenosine (m1A) Demethylation

Lin Zhang, Hong-Chao Duan, Marcin Paduch, Jingyan Hu, Chi Zhang, Yajuan Mu, Houwen Lin, Chuan He, Anthony A. Kossiakoff, Guifang Jia, Liang Zhang


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202313900

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