两项中国科学家成果登最新Nature杂志

　　

生物通报道：本期（4月22日）Nature杂志刊登了两项中国科学家参与的研究成果（生命科学领域），分别是FTO蛋白晶体结构和DNA甲基化方面的最新成果。

第一篇文章中，来自加州大学河滨分校，同济大学生命科学与技术学院，澳洲昆士兰医学研究所等多国研究人员组成的研究小组发现了一种新的RNA介导的DNA甲基化路径的调控子，为相关研究领域提供了重要的资料。

领导这一研究的是加州大学河滨分校的朱健康教授，其是植物抗逆分子生物学领域世界级领军人物之一，其及其领导的实验室在植物抗旱、耐盐与耐低温方面的研究硕果累累，在国内外享有声誉，他的实验室已在《Cell》、《Science》、《Gene&Development》、《Plant Cell》、PNAS等国际著名学术刊物发表论文40余篇。

在基因组中除了DNA和RNA序列以外，还有许多调控基因的信息，它们虽然本身不改变基因的序列，但是可以通过基因修饰，蛋白质与蛋白质、DNA和其它分子的相互作用，而影响和调节遗传的基因的功能和特性，并且通过细胞分裂和增殖周期影响遗传，这就是表观遗传学（epigenetics）。

在表观遗传学研究中，小分子RNAs（Short interfering RNAs，siRNAs）可以引导DNA甲基化，以及异染色质组蛋白修饰，导致序列特异性转录基因沉默。这一路径称为RNA介导的DNA甲基化路径（RNA-directed DNA methylation，简称RdDM）。

在这篇文章中，研究人员发现了一种拟南芥中RNA介导的DNA甲基化路径的新型调控子：RDM1，他们通过敲除实验发现缺失这一调控子基因会导致DNA甲基化减少，从而影响到RdDM靶标位点的沉默。RDM1能编码一种小蛋白，结合在单链甲基DNA上，与RNA合成酶II（Pol II），AGO4，以及DRM2共同定位在细胞核中。

研究结果显示RDM1是RdDM效应复合物中的组成成分，可能的功能是连接siRNA产物和预存的或者重新聚集的胞嘧啶甲基。研究还表明虽然RDM1和PloV能在一些RdDM靶标位点共同作用，但是Pol II比Pol V与RdDM效应复合物中联系更密切。

另一篇文章由北京生命科学研究员，中国农业大学等处的研究人员主持完成，他们确定了人FTO的晶体结构，以及其与单核苷酸3-meT形成的复合物的结构，这显示了这种蛋白区分单链和双链DNA的一个新颖机制。

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。

在这篇文章中，研究人员表达了人源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。

这一结果也对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。这一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。

（生物通：万纹）

原文摘要：

An RNA polymerase II- and AGO4-associated protein acts in RNA-directed DNA methylation

DNA methylation is an important epigenetic mark in many eukaryotes1, 2, 3, 4, 5. In plants, 24-nucleotide small interfering RNAs (siRNAs) bound to the effector protein, Argonaute 4 (AGO4), can direct de novo DNA methylation by the methyltransferase DRM2 (refs 2, 4–6). Here we report a new regulator of RNA-directed DNA methylation (RdDM) in Arabidopsis: RDM1. Loss-of-function mutations in the RDM1 gene impair the accumulation of 24-nucleotide siRNAs, reduce DNA methylation, and release transcriptional gene silencing at RdDM target loci. RDM1 encodes a small protein that seems to bind single-stranded methyl DNA, and associates and co-localizes with RNA polymerase II (Pol II, also known as NRPB), AGO4 and DRM2 in the nucleus. Our results indicate that RDM1 is a component of the RdDM effector complex and may have a role in linking siRNA production with pre-existing or de novo cytosine methylation. Our results also indicate that, although RDM1 and Pol V (also known as NRPE) may function together at some RdDM target sites in the peri-nucleolar siRNA processing centre, Pol II rather than Pol V is associated with the RdDM effector complex at target sites in the nucleoplasm.

作者简介：

朱健康教授

1987年 毕业于中国农业大学土化系

1990年 取得加州大学河畔分校植物学硕士学位

1993年 获得普渡大学植物生理学博士学位

1993－－1996朱健康随后任教于纽约市洛克斐勒大学与阿拉巴马州奥本大学，教授植物生物学

1996年 转赴亚利桑那大学吐桑分校任教，2000年成为该校植物学系教授

现任美国加州大学河滨分校教授，整合基因研究所所长，兼任国际著名学术刊物《Plant Physiology》、《Plant Molecular Biology》副主编。

朱健康教授为植物抗逆分子生物学领域世界级领军人物之一，其及其领导的实验室在植物抗旱、耐盐与耐低温方面的研究硕果累累，在国内外享有声誉，他的实验室已在《Cell》、《Science》、《Gene&Development》、《Plant Cell》、PNAS等国际著名学术刊物发表论文40余篇。