人类组氨酸甲基转移酶METTL9直系同源物的底物特异性差异及其结构基础解析

本研究揭示了人类组氨酸甲基转移酶METTL9及其直系同源物在真核生物中的底物特异性差异。通过比较来自5个真核生物超群的9种METTL9酶活性，发现果蝇（DmMETTL9）和微藻（OtMETTL9）的底物偏好显著不同，并结合X射线晶体结构阐明了OtMETTL9独特底物选择性的分子机制。该研究为理解表观遗传修饰的进化分化和疾病相关靶点设计提供了新视角。

　　

在生命活动中，蛋白质的甲基化修饰如同精密的分子开关，调控着无数生理过程。其中，组氨酸甲基化作为一种新兴的翻译后修饰，近年来在人类蛋白质组中被发现广泛存在。人类甲基转移酶METTL9是首个被证实能在蛋白质中生成1-甲基组氨酸（1MH或π-甲基组氨酸）的酶，其靶向的HxH基序（x为小型非极性氨基酸）在人类蛋白质组中超过2000个位点，暗示着巨大的调控潜力。然而，这种关键修饰酶在不同物种中如何演化出特异性，以及其结构基础是什么，始终是悬而未决的科学问题。

针对这一科学盲区，来自挪威科技大学等机构的研究团队在《Journal of Biological Chemistry》发表重要成果。研究人员系统考察了涵盖全部5个真核生物超群的9种METTL9直系同源物，发现尽管它们都识别HxH基序，但底物偏好存在显著差异。特别是果蝇（Drosophila melanogaster）和海洋微藻（Ostreococcus tauri）的METTL9分别选择性地甲基化ARMC6和DNAJB12蛋白，展现出与人类METTL9不同的特性。通过解析OtMETTL9的晶体结构，团队揭示了其独特的C形结合沟槽，这为理解底物特异性差异提供了结构基础。

研究主要运用了以下关键技术：1）重组蛋白体外甲基化分析（使用³
H-SAM示踪）；2）肽段阵列系统性替换扫描（涵盖HxH基序及侧翼残基）；3）质谱检测1MH生成（LC-MS/MS定量）；4）X射线晶体学（分辨率3?）及分子对接模拟；5）基于SPOT合成技术的肽段甲基化活性检测。

【Selected METTL9 proteins and their sequence features】
研究人员选取的9种METTL9直系同源物覆盖了从脊椎动物到单细胞藻类的进化谱系。序列比对显示，所有酶都保留7β-链（7BS）甲基转移酶家族的特征基序（I-III和Post I-II），但线虫（CeMETTL9）和黏菌（DpMETTL9）的序列偏离最大，预示功能差异。

【METTL9 orthologues exhibit different specificities on recombinant protein substrates】
体外实验证实，人类、小鼠等5种METTL9可甲基化ARMC6和DNAJB12，而CeMETTL9和DpMETTL9无活性。引人注目的是，DmMETTL9仅作用于ARMC6，OtMETTL9则特异性识别DNAJB12。通过构建催化突变体（如OtMETTL9 E145A），研究排除了细菌甲基转移酶污染的可能性。

【Dm-, Ot- and HsMETTL9 display different sequence preferences for peptide methylation】
基于MYO18A肽段的替换分析显示，HsMETTL9对X_N
和X_C
位点的容忍度最高（仅排斥酸性氨基酸和脯氨酸），而OtMETTL9严格要求X_C
为甘氨酸或丝氨酸。DmMETTL9则对X_N
位点表现出独特偏好（仅接受甘氨酸或赖氨酸）。

【Structural analysis of OtMETTL9】
OtMETTL9的晶体结构（PDB 8BVI）揭示了与人类同源物的关键差异：1）β′2-β′3区域的独特取向形成C形结合沟槽；2）S250/A251的空间位阻限制C端肽段构象；3）L84（对应人类R114）等非保守残基影响底物识别。分子对接表明，这种结构差异可能通过限制X_C
残基的容纳空间，导致OtMETTL9的严格选择性。

这项研究首次在分子水平阐明了METTL9家族的功能分化机制。临床意义上，METTL9与肝癌、胃癌等疾病相关，其底物特异性的理解有助于开发选择性抑制剂。进化角度而言，不同物种METTL9的特异性分化可能反映了其对关键生理底物的适应性选择。该成果为蛋白质甲基化网络的进化研究提供了范式，也为针对METTL9的精准药物设计奠定了结构基础。