中科院PI最新文章：表观遗传学新成果

　　

生物通报道：来自中科院上海生命科学研究院生化与细胞所，同济大学生命科学与技术学院信号与疾病研究实验室等处的研究人员发现进化过程中的单一氨基酸替换增强了哺乳动物Dnmt3b甲基化基因组DNA的能力。这一研究成果公布在国际学术期刊Nucleic Acids Res上。

文章的通讯作者之一是上海生命科学研究院康九红研究员，其2006年作为裴钢院士的Co-PI被引进到中科院上海生科院生化与细胞所，同年获得国家杰出青年科学基金资助。主要从事细胞外信号调节表观遗传、基因转录及细胞命运决定等的机制研究。

旁系同源蛋白是指存在于某一物种中，由相同的祖先基因经由基因倍增产生的基因所编码的蛋白。以往的研究表明，旁系同源蛋白在进化中必须产生一定的功能差异才能得以保留，而进化过程中蛋白序列的变异不仅是导致同源蛋白功能差异的重要原因，也是一种自然选择参与其中的适应性进化。但进化过程中的氨基酸替换如何影响蛋白质功能，以及自然选择在其中的作用还很不清楚。

DNA甲基转移酶Dnmt3a和Dnmt3b是负责基因组起始性DNA甲基化的旁系同源蛋白，在表观遗传调控中起着重要的作用。虽然它们具有较高的同源性，但是体内功能并不相同。在小鼠中，敲除Dnmt3b是胚胎致死的，并且可以观察到小鼠全基因组及各种重复序列DNA的低甲基化现象；而Dnmt3a的基因敲除小鼠出生后大约四周死亡，而且没有明显的全基因组DNA低甲基化。因此Dnmt3a和Dnmt3b的序列演化和功能改变的关系，不仅能够加深对DNA甲基化这一重要的表观遗传调控机制的理解，而且有助于回答进化过程中氨基酸替换和自然选择如何影响蛋白质功能这个重要理论问题。

最新研究成果表明，Dnmt3a和Dnmt3b起源于脊椎动物产生时期附近的一次基因倍增事件，但哺乳动物Dnmt3b甲基化染色体DNA的能力显著高于Dnmt3a以及非哺乳动物的Dnmt3b。后续的序列比对和氨基酸突变实验表明，一个仅在哺乳动物Dnmt3b中存在的单一氨基酸替换I662N决定了其较高的甲基化染色体DNA的能力。

该研究组进一步的研究提示，这个氨基酸替换显著增强了Dnmt3b结合核小体DNA的能力。而且，该氨基酸替换对于Dnmt3b甲基化哺乳动物基因组中的重复序列具有重要的作用。有趣的是，他们发现在哺乳动物产生的过程中，随着这些重复序列占基因组比例的大大提高，Dnmt3b的进化速率也显著高于Dnmt3a。

这一研究成果表明哺乳动物Dnmt3b中的I662N氨基酸替换提高了它甲基化染色体DNA的能力，使之更好地适应了哺乳动物中重复序列增加等自然选择，从而丰富了哺乳动物的表观遗传调控系统，并为进化过程中氨基酸替换和自然选择如何影响蛋白质功能这个重要理论问题提供了一个很好的范例。

（生物通：万纹）

原文摘要：

A single amino acid substitution confers enhanced methylation activity of mammalian Dnmt3b on chromatin DNA

Dnmt3a and Dnmt3b are paralogous enzymes responsible for de novo DNA methylation but with distinguished biological functions. In mice, disruption of Dnmt3b but not Dnmt3a causes global DNA hypomethylation, especially in repetitive sequences, which comprise the large majority of methylated DNA in the genome. By measuring DNA methylation activity of Dnmt3a and Dnmt3b homologues from five species, we found that mammalian Dnmt3b possessed significantly higher methylation activity on chromatin DNA than Dnmt3a and non-mammalian Dnmt3b. Sequence comparison and mutagenesis experiments identified a single amino acid substitution (I662N) in mammalian Dnmt3b as being crucial for its high chromatin DNA methylation activity. Further mechanistic studies demonstrated this substitution markedly enhanced the binding of Dnmt3b to nucleosomes and hence increased the chromatin DNA methylation activity. Moreover, this substitution was crucial for Dnmt3b to efficiently methylate repetitive sequences, which increased dramatically in mammalian genomes. Consistent with our observation that Dnmt3b evolved more rapidly than Dnmt3a during the emergence of mammals, these results demonstrated that the I662N substitution in mammalian Dnmt3b conferred enhanced chromatin DNA methylation activity and contributed to functional adaptation in the epigenetic system.

作者简介：

康九红

个人简介：
1998年毕业于兰州大学生命科学学院，获博士学位。2000年-2002年，2003年-2005年分别在日本大阪大学医学院和中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所从事博士后研究。2006年2月作为裴钢院士的Co-PI被引进到中科院上海生科院生化与细胞所， 2006年获得国家杰出青年科学基金资助。

研究工作：
康九红主要从事细胞外信号调节表观遗传、基因转录及细胞命运决定等的机制研究。1998年以来，共主持和参加来自国家基金委、科技部、教育部和上海市等的10多个科研项目，包括国家杰出青年基金等。在Cell等国际性学术期刊发表SCI论文30余篇。

近期论文：

Zou L, Wang Z, Shen L, Bao G, Wang T, Kang J, Pei G. BACE activity and amyloid−β production are regulated by receptor tyrosine kinases through enhancing BACE internalization. Cell Res. 2007 Feb 27; [Epub ahead of print].

Ding G, Kang J, Liu Q, Shi T, Pei G, Li Y. Insights into the coupling of duplication events and macroevolution from an age profile of animal transmembrane gene families. PLoS Comput Biol. 2006; 2(8):e102.

Kang J, Shi Y, Xiang B, Qu B, Su W, Zhu M, Zhang M, Bao G, Zhang X, Wang F, Yang R, Fan F, Pei G, Ma L. A nuclear function of β-arrestin 1 in GPCR Signaling: regulation of histone acetylation and gene transcription. Cell 2005; 123: 833-847.

Luan B, Zhang Z, Wu Y, Kang J, Pei G. β-Arrestin2 functions as a phosphorylation-regulated suppressor of UV-induced NF-kB activation. EMBO J. 2005; 24: 4237-4246.

Kang J#, Chen J, Shi Y, Jia J, Wang Z. Histone hypoacetylation is involved in 1,10-phenanthroline-Cu2+-induced human hepatoma cell apoptosis. J. Biol. Inorg. Chem. 2005; 10: 190-198.

Kang J#, Chen J, Shi Y, Jia J, Zhang Y. Curcumin-induced histone hypoacetylation: the role of reactive oxygen species. Biochem. Pharmacol. 2005; 69: 1205-1213.