顶级科学家张毅Cell子刊发表表观遗传学重要成果

　　

生物通报道  几年前汤姆森科技信息集团旗下《科学观察》(Science Watch)评出的高影响力论文数量最多的研究人员中，哈佛大学医学院的张毅（Yi Zhang）教授成为分子生物学和遗传学领域高影响力论文的数量最多的前十位顶级科学家之一。其大量文章被Nature、Science和Cell等世界顶级生物科学杂志收录，是表观遗传学DNA甲基化研究领域的权威专家。

近日张毅教授在新研究中证实，钙蛋白酶（calpains）调控了TET蛋白家族的稳定性。研究论文“Regulation of TET Protein Stability by Calpains”发表在《细胞》（Cell）杂志旗下子刊《Cell Reports》上。

DNA甲基化是一种非常重要的表观遗传调控方式，在基因印迹、X染色体失活、转座子与外源DNA的沉默及组织特异性基因的表达调控中发挥重要的作用。在哺乳动物的配子发生过程从受精到着床的早期胚胎发育阶段，基因组DNA会发生大规模的主动去甲基化。但去甲基化的分子机制一直是表观遗传领域的谜题。

2009年，美国科学院院士Anjana Rao实验室发现一种DNA双氧化酶TET蛋白能够将5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine, 5mC）氧化成5-羟甲基胞嘧啶（5-hydroxymethylcytosine，5hmC），并证实5hmC稳定存在于胚胎干细胞及浦肯野细胞中，这为DNA去甲基化的机制研究开拓了新思路。随后张毅教授实验室证实，TET蛋白还可进一步氧化5-hmC为5- 胞嘧啶甲酰（5-formylcytosine，5fC）和5-胞嘧啶羧基(5-carboxylcytosine,5caC)，并用质谱法在胚胎干细胞和多种小鼠组织中检测到5fC和5caC的存在。

在哺乳动物中TET蛋白家族包括三个成员Tet1、Tet2和Tet 3。大量的研究证实，在转录水平上TET蛋白家族表达受到严密的调控。例如，在小鼠胚胎干细胞（mESCs）中Tet1和Tet2受到Oct4的正调控，而在mESC分化过程中，它们的mRNA水平显著下降。相比之下，Tet3在细胞分化过程中则显著上调。此外，近期还有研究报告称发现在白血病和乳腺癌中miR-22调控了Tet mRNA 。但目前对于TET蛋白在翻译后水平上的调控机制仍知之甚少。

细胞主要通过四种蛋白质水解系统来介导蛋白质周转（protein turnover）：蛋白酶体、溶酶体、caspase和caipain。Calpains是一种钙激活中性半胱氨酸蛋白酶家族，在人类中已鉴别出14个成员。迄今为止，Calpain1和Calpain2是特征最明确的成员。已知的Calpain底物包括有一些结构蛋白，信号分子和转录因子。Calpains异常调控与肌营养不良症、糖尿病和阿尔茨海默氏症等大量的人类疾病相关联。此外，研究表明Calpains也参与了干细胞维持和分化。

在这篇文章中，张毅教授实验室利用各种化学抑制剂作用于不同的蛋白质转换信号通路，鉴别出Calpains作为主要的作用因子介导了TET蛋白周转。他们利用一种确定的实验方案促使mESC向着神经祖细胞（neural progenitor cell，NPCs）分化，证实在ESCs和NPCs中Calpain1和Calpain2负责介导了TET蛋白周转。在小鼠ESCs中，Calpain1特异地介导了Tet1和Tet2周转，而在分化过程中Calpain2调控了Tet3的水平。

这些研究数据证实，TET蛋白家族受到了Calpains介导的蛋白质降解的影响。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Regulation of TET Protein Stability by Calpains

DNA methylation at the fifth position of cytosine (5mC) is an important epigenetic modification that affects chromatin structure and gene expression. Recent studies have established a critical function of the Ten-eleven translocation (Tet) family of proteins in regulating DNA methylation dynamics. Three Tet genes have been identified in mammals, and they all encode for proteins capable of oxidizing 5mC as part of the DNA demethylation process. Although regulation of Tet expression at the transcriptional level is well documented, how TET proteins are regulated at posttranslational level is poorly understood. In this study, we report that all three TET proteins are direct substrates of calpains, a family of calcium-dependent proteases. Specifically, calpain1 mediates TET1 and TET2 turnover in mouse ESCs, and calpain2 regulates TET3 level during differentiation. This study provides evidence that TET proteins are subject to calpain-mediated degradation.