Метилирование ДНК изменяет экспрессию генов. Этот фундаментальный клеточный механизм критически влияет на развитие растений, животных и человека. Известно, что он регулирует стабильность генома и дифференциацию клеток.
У людей ошибки метилирования связаны с различными заболеваниями, включая рак.У млекопитающих метилирование ДНК устанавливается de novo (заново) близкородственными ферментами DNMT3A и DNMT3B во время развития зародышевых клеток и раннего эмбрионального развития. Одна из трудностей в понимании того, как работает метилирование ДНК de novo, состоит в том, что структура этих ферментов неизвестна.Команда под руководством UC Riverside теперь решила кристаллическую структуру для связанного с подложкой DNMT3A.
Этот прорыв показывает, как фермент распознает и метилирует свои субстраты — важная информация для понимания de novo метилирования ДНК. Субстрат — это материал или вещество, на которое действует фермент.
«Структура показывает, что молекулы DNMT3A атакуют два соседних друг с другом сайта субстрата на одной и той же молекуле ДНК», — сказал Джикуи Сонг, доцент биохимии, возглавлявший исследовательский проект. «Теперь это дает нам гораздо более четкое представление о том, как происходит метилирование ДНК de novo. Наша работа представляет первое структурное представление о метилировании ДНК de novo и представляет модель того, как некоторые мутации DNMT3A способствуют развитию рака, такого как острый миелоидный лейкоз. Это исследование также должно дать важную информацию о функциях DNMT3B ".
Сонг объяснил, что структурные знания DNMT3A позволят ученым контролировать содержание метилирования ДНК, экспрессию генов и дифференциацию клеток — все это связано с болезнями и находить лекарства от них.«Это особенно важно для лечения рака в долгосрочной перспективе», — сказал он.
Результаты исследований появляются сегодня в журнале Nature.Структура DNMT3A, которую раскрыла команда Сонга, объясняет, почему метилирование ДНК млекопитающих преимущественно происходит в «динуклеотидах CpG» — участках ДНК, где нуклеотиды цитозина находятся рядом с нуклеотидами гуанидина.
«До нашего исследования было непонятно, почему метилирование ДНК млекопитающих в основном происходит в сайтах CpG, и наше понимание метилирования ДНК de novo основывалось исключительно на компьютерном моделировании, которое не может надежно объяснить, как работает DNMT3A», — сказал Сонг. «То, как DNMT3A удалось связать со своим субстратом, также не было понятно. Наша структура комплекса DNMT3A-ДНК решает все эти проблемы, предлагая гораздо лучшее понимание того, как генерируются специфические паттерны метилирования ДНК».Изучение структуры DNMT3A с субстратами долгое время затруднялось из-за сложности получения стабильного фермент-субстратного комплекса.«Чтобы преодолеть эту проблему, мы успешно разработали метод улавливания промежуточного продукта реакции комплекса DNMT3A-субстрат и определили структуру с помощью рентгеновской кристаллографии», — сказал Сонг.
В исследовании к нему присоединились Чжи-Минь Чжан (первый автор исследовательской работы), Пэнчэн Ван, Ян Ю, Линфэн Гао, Шо Лю, Дебин Цзи и Иньшэн Ван из UCR; и Руи Лу, Донг-Лян Чен, Скотт Б. Ротбарт и соруководитель Ганг Грег Ван в Университете Северной Каролины в Чапел-Хилл. Группа Song решила кристаллическую структуру. Группа Ванга провела анализ метилирования геномной ДНК.
Исследование финансировалось за счет грантов Kimmel Scholar Awards, March of Dimes Foundation и Национальных институтов здоровья.