北京生科所《Nature》解析FTO蛋白结构

　　

生物通报道，近期北京生科所捷报连连，4月2日在Science发表一篇核小体装配研究成果文章，4月7号在Nature在线版发表一篇FTO蛋白结构分析成果文章Crystal structure of the FTO protein reveals basis for its substrate specificity，文章报导了肥胖相关基因FTO的晶体结构以及其对底物选择性的分子基础。

 

柴继杰博士为文章的通讯作者。此项研究由科技部863计划、973计划，国家杰出青年科学基金和北京市科委资助，在北京生命科学研究所完成。

 

肥胖对人类健康有着重要的影响。2007年，人们利用全基因扫描技术发现FTO基因（FaT mass and Obesity associated）与肥胖密切相关。含有多态性SNP rs9939609的FTO基因纯合子的人群比不含有此等位基因的人群的平均体重重3KG。随后在不同的国家和民族（包括汉族）的调查都确证了此相关性。小鼠基因敲除实验也表明FTO基因与肥胖密切相关。随着对FTO基因功能研究的深入，生物信息学研究预测FTO基因编码一种依赖二价铁和酮戊二酸的一种双加氧酶，其底物主要是单链核酸上3-甲基化修饰的胸腺嘧啶或尿嘧啶。但是对其底物特异性性选择的分子机理还不清楚。

 

据NIBS讯，柴继杰实验室表达了人源FTO基因的蛋白，通过不同片段克隆与结晶条件的筛选，最终，利用NOG（一种α-酮戊二酸类似物，能与FTO结合但是酶反应不能进行）替代α-酮戊二酸获得了FTO蛋白与3-甲基化胸腺嘧啶核苷复合物的晶体结构。对结构的分析发现FTO基因N末端具有典型的依赖二价铁和酮戊二酸的一种双加氧酶特征外，结合生化实验，也揭示了FTO基因所独有的三点重要信息：第一， 由α-螺旋构成的C末端未知结构域对稳定N末端催化核心结构域具有重要作用。第二，FTO通过一个独有的长loop来达到选择单链修饰DNA或单链修饰RNA活性的结构基础。就我们目前所了解，FTO选择单双链的机理，是一种以前没有发现过的全新机理。第三，R96与3-meT的O2形成的氢键和Glu234主链的氨基N原子和3-meT的O4形成的氢键是FTO蛋白特异性识别3-甲基化修饰的U和T的主要结构基础。另外，结构与生化实验显示FTO 对3-甲基化修饰的U比T活性更强，提示在体内的生理条件下，甲基化的单链RNA可能是FTO的生理底物。

 

柴继杰实验室的结果也对FTO体内的功能方式有提示意义。因为体内甲基化的T很少。而3-甲基化修饰的U存在于核糖体等RNA中，结合其主要结合单链核酸的特性，提示FTO在体内可能通过影响修饰的核糖体的稳定性等来影响脂肪代谢，从而引起肥胖。我们复合物的结构也为设计通过干扰FTO的酶活性的小分子抑制剂提供了基础。

 

北京生命科学研究所博士后韩志富与博士生牛天慧（中国农业大学生物学院）为本文的共同第一作者，其他作者还有北京生命科学研究所博士生程伟，技术员赵明彦，王金静，冯宜。郑州大学化学系的常俊标博士，王强博士。北京生命科学研究所与天津大学药物科学与技术学院的雷晓光博士。

 

4月2日Science文章

2010年4月2日，朱冰实验室在《science》杂志发表文章，题为“Partition of histone H3/H4 tetramers during DNA replication dependent chromatin assembly”，文章报导了DNA复制过程中核小体装配的方式。

 

真核生物DNA与包括组蛋白在内的多种蛋白质组装成为染色质，染色质的结构给基因功能提供了遗传信息之外的另一层次的调控方式。核小体是染色质的基础结构单元，它由DNA与组蛋白八聚体包装而成，其中H3-H4构成组蛋白核心四聚体。组蛋白H3-H4携带的一系列稳定修饰被认为可在有丝分裂细胞周期中得到继承，起到表观遗传信息的作用，但是这些修饰的继承方式尚有待研究。想要发掘组蛋白修饰的继承机理，就必须首先澄清DNA复制过程中核小体结构的分配模式。

 

朱冰实验室与蛋白质中心合作，利用基于稳定同位素标记的定量质谱技术对DNA复制之后“新”、“旧”组蛋白的分配进行研究。作者以可诱导表达融合FLAG标签的组蛋白H3.1和H3.3的哺乳动物细胞系作为模式体系开展实验。在本项工作中，作者们发现H3.1-H4组成的核心四聚体在DNA复制过程中保持完整。此结果暗示，新的组蛋白H3.1-H4可能以相邻核小体的已有修饰为模板，重新建立其修饰模式。作者们还首次发现由组蛋白变体H3.3组成的H3-H4四聚体会发生相当量的“新”、“旧”重组。这种重组的生物学意义值得进一步探究。

（生物通 小茜）

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Nature advance online publication 7 April 2010 | doi:10.1038/nature08921; Received 27 October 2009; Accepted 11 February 2010; Published online 7 April 2010

 

Crystal structure of the FTO protein reveals basis for its substrate specificity

Zhifu Han1,6, Tianhui Niu1,2,6, Junbiao Chang3, Xiaoguang Lei1,4, Mingyan Zhao1, Qiang Wang3, Wei Cheng1, Jinjing Wang1, Yi Feng1 & Jijie Chai1,5

 

National Institute of Biological Sciences, No. 7 Science Park Road, Beijing 102206, China

College of Biological Sciences, China Agricultural University, Beijing 100094, China

Department of Chemistry, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China

School of Pharmaceutical Science and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China

Department of Biological Sciences and Biotechnology, Tsinghua University, Beijing 100084, China

 

【Abstract】

Recent studies1, 2, 3, 4, 5 have unequivocally associated the fat mass and obesity-associated (FTO) gene with the risk of obesity. In vitro FTO protein is an AlkB-like DNA/RNA demethylase with a strong preference for 3-methylthymidine (3-meT) in single-stranded DNA or 3-methyluracil (3-meU) in single-stranded RNA6, 7, 8. Here we report the crystal structure of FTO in complex with the mononucleotide 3-meT. FTO comprises an amino-terminal AlkB-like domain and a carboxy-terminal domain with a novel fold. Biochemical assays show that these two domains interact with each other, which is required for FTO catalytic activity. In contrast with the structures of other AlkB members, FTO possesses an extra loop covering one side of the conserved jelly-roll motif. Structural comparison shows that this loop selectively competes with the unmethylated strand of the DNA duplex for binding to FTO, suggesting that it has an important role in FTO selection against double-stranded nucleic acids. The ability of FTO to distinguish 3-meT or 3-meU from other nucleotides is conferred by its hydrogen-bonding interaction with the two carbonyl oxygen atoms in 3-meT or 3-meU. Taken together, these results provide a structural basis for understanding FTO substrate-specificity, and serve as a foundation for the rational design of FTO inhibitors.