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腾讯登录NCB & PNAS：何川、蒋华良等表观遗传分子机制研究获进展
| 导读 | <div id="region-column1and2-layout2">中科院上海药物研究所蒋华良课题组与美国芝加哥大学化学系何川课题组合作，针对胸腺嘧啶DNA糖苷化酶及细菌转录因子AgrA在表观遗传与转录调控中的作用开展研究，取得了良好进展。研究论文分别于2012年2月及2012年5月在线发表在<em>Nature Chemical Biology&... |
<div id="region-column1and2-layout2">中科院上海药物研究所蒋华良课题组与美国芝加哥大学化学系何川课题组合作，针对胸腺嘧啶DNA糖苷化酶及细菌转录因子AgrA在表观遗传与转录调控中的作用开展研究，取得了良好进展。研究论文分别于2012年2月及2012年5月在线发表在<em>Nature Chemical Biology</em>和<em>PNAS</em>上。</div>
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在针对胸腺嘧啶DNA糖苷酶（Thymine-DNA glycosylase， TDG）底物选择性机制的研究中，两个课题组研究人员综合运用化学生物学、理论模拟等手段，阐明了TDG选择性切除DNA分子中被修饰的嘧啶碱基的分子机制。TDG能选择性剪切由TET蛋白催化5-甲基胞嘧啶（5mC）氧化产生的5-醛基胞嘧啶（5fC）及5-羧基胞嘧啶（5caC），继而启动下游DNA剪切修复（BER，base-excision repair）通路，将5mC还原成未修饰的胞嘧啶。然而，TDG如何在众多正常的胞嘧啶及5-甲基胞嘧啶中选择性切除5caC和5fC的机制并不明确。
何川教授课题组通过生物实验发现，TDG对于含有不同修饰胞嘧啶的DNA结合能力有显著不同。其与含有5caC和5fC的DNA结合能力最强，而与含5hmC，5mC及正常胞嘧啶的DNA几乎不结合。蒋华良课题组成员从计算生物学的角度出发，根据何川课题组解析得到的TDG与5caC的复合物晶体结构，开展了分子动力学模拟与结合自由能计算研究。通过计算发现，TDG活性口袋的Ile139可以和5caC形成较强的氢键相互作用，而同5mC和正常胞嘧啶不存在此相互作用。另外，TDG活性口袋中的His151、Tyr152同5caC的5位羧基存在很强的极性相互作用，而与其它修饰的胞嘧啶如5mC和5hmC相互作用较弱。因此可以认为，TDG的活性口袋能选择性地结合5位具有负电性取代基的底物，如5caC或5fC。研究结果为进一步阐明TDG在表观遗传调控中扮演的作用提供了重要线索。
在转录因子AgrA调控机制的研究中，两个课题组进一步合作，阐明了细菌转录因子AgrA的DNA结合域中分子内二硫键的开关在群体感应agr信号系统中发挥的重要功能。何川课题组前期研究发现，在氧化信号刺激下，AgrA结构中C199和C228会形成分子内二硫键，导致AgrA与DNA的解离。蒋华良课题组成员从计算生物学角度出发，运用分子动力学模拟等手段，从分子水平揭示了二硫键形成引起的空间位阻效应是破坏AgrA与DNA的结合的重要原因。同时，C199S的突变不会影响蛋白结构的稳定性，而C228S的突变破坏了DNA结合域的三维结构，暗示C199主要负责氧化感应，而C228对于维持蛋白结构的稳定性至关重要。模拟结果与相关突变实验结果相吻合，证实了氧化感应是agr群体感应信号系统中的一个重要组分，细菌通过这种功能调节，可以有效缓解由其自身代谢或宿主免疫造成的氧化压力。研究结果为深入理解细菌转录调控机制及新型抗菌药物的开发提供重要依据。
该合作团队有机结合生物实验与计算模拟，积极探索表观遗传与转录调控的相互联系，以及它们在胚胎发育与疾病产生中扮演的作用。这为进一步靶向新的表观遗传与转录调控靶标，开发高效特异的小分子活性候选化合物提供了理论基础。
上述合作研究得到了美国国立卫生研究院（NIH）、中科院“干细胞与再生医学”战略先导专项、973、863以及上海市科委“非政府间国际合作”项目的资助。
三年来，两个课题组通力合作，在表观遗传分子机制和相关药物发现研究中取得一系列进展。除上述两项合作外，其他合作正在进行中。
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<img src="http://www.bioon.com/biology/UploadFiles/201205/2012052313071262.jpg" alt="" width="113" height="149" border="0" />
<a title="" href="http://dx.doi.org/doi:10.1073/pnas.1200603109" target="_blank">doi:10.1073/pnas.1200603109</a>
PMC:
PMID:
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<br/><strong>Quorum-sensing agr mediates bacterial oxidation response via an intramolecular disulfide redox switch in the response regulator AgrA</strong><br/>
Fei Suna,1, Haihua Lianga,1, Xiangqian Kongb, Sherrie Xiea, Hoonsik Choc, Xin Denga, Quanjiang Jia, Haiyan Zhanga, Sophie Alvarezd, Leslie M. Hicksd, Taeok Baec, Cheng Luob, Hualiang Jiangb, and Chuan Hea,2
Oxidation sensing and quorum sensing significantly affect bacterial physiology and host–pathogen interactions. However, little attention has been paid to the cross-talk between these two seemingly orthogonal signaling pathways. Here we show that the quorum-sensing agr system has a built-in oxidation-sensing mechanism through an intramolecular disulfide switch possessed by the DNA-binding domain of the response regulator AgrA. Biochemical and mass spectrometric analysis revealed that oxidation induces the intracellular disulfide bond formation between Cys-199 and Cys-228, thus leading to dissociation of AgrA from DNA. Molecular dynamics (MD) simulations suggest that the disulfide bond formation generates a steric clash responsible for the abolished DNA binding of the oxidized AgrA. Mutagenesis studies further established that Cys-199 is crucial for oxidation sensing. The oxidation-sensing role of Cys-199 is further supported by the observation that the mutant Staphylococcus aureus strain expressing AgrAC199S is more susceptible to H2O2 owing to repression of the antioxidant bsaA gene under oxidative stress. Together, our results show that oxidation sensing is a component of the quorum-sensing agr signaling system, which serves as an intrinsic checkpoint to ameliorate the oxidation burden caused by intense metabolic activity and potential host immune response.
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<img src="http://www.bioon.com/biology/UploadFiles/201205/2012052313084736.jpg" alt="" width="113" height="149" border="0" />
<a title="" href="http://dx.doi.org/doi:10.1038/nchembio.914" target="_blank">doi:10.1038/nchembio.914</a>
PMC:
PMID:
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<br/><strong>Thymine DNA glycosylase specifically recognizes 5-carboxylcytosine-modified DNA</strong><br/>
Liang Zhang, Xingyu Lu, Junyan Lu, Haihua Liang, Qing Dai, Guo-Liang Xu, Cheng Luo, Hualiang Jiang & Chuan He
Human thymine DNA glycosylase (hTDG) efficiently excises 5-carboxylcytosine (5caC), a key oxidation product of 5-methylcytosine in genomic DNA, in a recently discovered cytosine demethylation pathway. We present here the crystal structures of the hTDG catalytic domain in complex with duplex DNA containing either 5caC or a fluorinated analog. These structures, together with biochemical and computational analyses, reveal that 5caC is specifically recognized in the active site of hTDG, supporting the role of TDG in mammalian 5-methylcytosine demethylation.
<div> <br/>来源：上海药物研究所</div>
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在针对胸腺嘧啶DNA糖苷酶（Thymine-DNA glycosylase， TDG）底物选择性机制的研究中，两个课题组研究人员综合运用化学生物学、理论模拟等手段，阐明了TDG选择性切除DNA分子中被修饰的嘧啶碱基的分子机制。TDG能选择性剪切由TET蛋白催化5-甲基胞嘧啶（5mC）氧化产生的5-醛基胞嘧啶（5fC）及5-羧基胞嘧啶（5caC），继而启动下游DNA剪切修复（BER，base-excision repair）通路，将5mC还原成未修饰的胞嘧啶。然而，TDG如何在众多正常的胞嘧啶及5-甲基胞嘧啶中选择性切除5caC和5fC的机制并不明确。
何川教授课题组通过生物实验发现，TDG对于含有不同修饰胞嘧啶的DNA结合能力有显著不同。其与含有5caC和5fC的DNA结合能力最强，而与含5hmC，5mC及正常胞嘧啶的DNA几乎不结合。蒋华良课题组成员从计算生物学的角度出发，根据何川课题组解析得到的TDG与5caC的复合物晶体结构，开展了分子动力学模拟与结合自由能计算研究。通过计算发现，TDG活性口袋的Ile139可以和5caC形成较强的氢键相互作用，而同5mC和正常胞嘧啶不存在此相互作用。另外，TDG活性口袋中的His151、Tyr152同5caC的5位羧基存在很强的极性相互作用，而与其它修饰的胞嘧啶如5mC和5hmC相互作用较弱。因此可以认为，TDG的活性口袋能选择性地结合5位具有负电性取代基的底物，如5caC或5fC。研究结果为进一步阐明TDG在表观遗传调控中扮演的作用提供了重要线索。
在转录因子AgrA调控机制的研究中，两个课题组进一步合作，阐明了细菌转录因子AgrA的DNA结合域中分子内二硫键的开关在群体感应agr信号系统中发挥的重要功能。何川课题组前期研究发现，在氧化信号刺激下，AgrA结构中C199和C228会形成分子内二硫键，导致AgrA与DNA的解离。蒋华良课题组成员从计算生物学角度出发，运用分子动力学模拟等手段，从分子水平揭示了二硫键形成引起的空间位阻效应是破坏AgrA与DNA的结合的重要原因。同时，C199S的突变不会影响蛋白结构的稳定性，而C228S的突变破坏了DNA结合域的三维结构，暗示C199主要负责氧化感应，而C228对于维持蛋白结构的稳定性至关重要。模拟结果与相关突变实验结果相吻合，证实了氧化感应是agr群体感应信号系统中的一个重要组分，细菌通过这种功能调节，可以有效缓解由其自身代谢或宿主免疫造成的氧化压力。研究结果为深入理解细菌转录调控机制及新型抗菌药物的开发提供重要依据。
该合作团队有机结合生物实验与计算模拟，积极探索表观遗传与转录调控的相互联系，以及它们在胚胎发育与疾病产生中扮演的作用。这为进一步靶向新的表观遗传与转录调控靶标，开发高效特异的小分子活性候选化合物提供了理论基础。
上述合作研究得到了美国国立卫生研究院（NIH）、中科院“干细胞与再生医学”战略先导专项、973、863以及上海市科委“非政府间国际合作”项目的资助。
三年来，两个课题组通力合作，在表观遗传分子机制和相关药物发现研究中取得一系列进展。除上述两项合作外，其他合作正在进行中。
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<img src="http://www.bioon.com/biology/UploadFiles/201205/2012052313071262.jpg" alt="" width="113" height="149" border="0" />
<a title="" href="http://dx.doi.org/doi:10.1073/pnas.1200603109" target="_blank">doi:10.1073/pnas.1200603109</a>
PMC:
PMID:
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<br/><strong>Quorum-sensing agr mediates bacterial oxidation response via an intramolecular disulfide redox switch in the response regulator AgrA</strong><br/>
Fei Suna,1, Haihua Lianga,1, Xiangqian Kongb, Sherrie Xiea, Hoonsik Choc, Xin Denga, Quanjiang Jia, Haiyan Zhanga, Sophie Alvarezd, Leslie M. Hicksd, Taeok Baec, Cheng Luob, Hualiang Jiangb, and Chuan Hea,2
Oxidation sensing and quorum sensing significantly affect bacterial physiology and host–pathogen interactions. However, little attention has been paid to the cross-talk between these two seemingly orthogonal signaling pathways. Here we show that the quorum-sensing agr system has a built-in oxidation-sensing mechanism through an intramolecular disulfide switch possessed by the DNA-binding domain of the response regulator AgrA. Biochemical and mass spectrometric analysis revealed that oxidation induces the intracellular disulfide bond formation between Cys-199 and Cys-228, thus leading to dissociation of AgrA from DNA. Molecular dynamics (MD) simulations suggest that the disulfide bond formation generates a steric clash responsible for the abolished DNA binding of the oxidized AgrA. Mutagenesis studies further established that Cys-199 is crucial for oxidation sensing. The oxidation-sensing role of Cys-199 is further supported by the observation that the mutant Staphylococcus aureus strain expressing AgrAC199S is more susceptible to H2O2 owing to repression of the antioxidant bsaA gene under oxidative stress. Together, our results show that oxidation sensing is a component of the quorum-sensing agr signaling system, which serves as an intrinsic checkpoint to ameliorate the oxidation burden caused by intense metabolic activity and potential host immune response.
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<br/><strong>Thymine DNA glycosylase specifically recognizes 5-carboxylcytosine-modified DNA</strong><br/>
Liang Zhang, Xingyu Lu, Junyan Lu, Haihua Liang, Qing Dai, Guo-Liang Xu, Cheng Luo, Hualiang Jiang & Chuan He
Human thymine DNA glycosylase (hTDG) efficiently excises 5-carboxylcytosine (5caC), a key oxidation product of 5-methylcytosine in genomic DNA, in a recently discovered cytosine demethylation pathway. We present here the crystal structures of the hTDG catalytic domain in complex with duplex DNA containing either 5caC or a fluorinated analog. These structures, together with biochemical and computational analyses, reveal that 5caC is specifically recognized in the active site of hTDG, supporting the role of TDG in mammalian 5-methylcytosine demethylation.
<div> <br/>来源：上海药物研究所</div>
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