近些年，各類高通量組學(xué)及結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的快速積累為利用生物信息學(xué)解析蛋白質(zhì)功能背后的序列和結(jié)構(gòu)信息基礎(chǔ)積累了完備的數(shù)據(jù)資源，如何將這些生物大數(shù)據(jù)資源轉(zhuǎn)化為具備理論指導(dǎo)意義的知識(shí)價(jià)值并探索序列進(jìn)化和功能演變的本質(zhì)與動(dòng)力，是生命前沿交叉學(xué)科領(lǐng)域亟待解決的重大科學(xué)問(wèn)題。甲基化修飾作為表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域最重要的調(diào)控方式之一，在疾病發(fā)生和胚胎發(fā)育的細(xì)胞重編程中發(fā)揮著重要的作用。TET家族、ALKBH家族以及KDM家族均為依賴Fe2+和α-酮戊二酸的功能保守的甲基化酶，同時(shí)其催化的底物類型在整個(gè)中心法則(DNA-RNA-Protein)層面具有豐富的多樣性并且調(diào)控機(jī)制各異。因此，這三個(gè)蛋白質(zhì)家族既是研究胚胎發(fā)育以及疾病發(fā)生的熱門對(duì)象，也是研究序列結(jié)構(gòu)進(jìn)化非常理想的模型蛋白。
“雙一流”學(xué)科建設(shè)以來(lái)，左永春教授依托生命科學(xué)學(xué)院、省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室計(jì)算生物學(xué)平臺(tái)，在內(nèi)蒙古大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目的持續(xù)資助下，結(jié)合生命大數(shù)據(jù)前沿交叉學(xué)科《生物信息學(xué)》課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，帶領(lǐng)我院的本科生和研究生科研創(chuàng)新小組，圍繞“依賴Fe2+和α酮戊二酸的去甲基化酶功能發(fā)揮的結(jié)構(gòu)和序列基礎(chǔ)”，展開(kāi)了關(guān)于DNA去甲基化酶TET(Ten-eleven translocation)，RNA去甲基化酶ALKBH(AlkB homologs)以及組蛋白去甲基化酶KDM(Histone lysine demethylases)的一系列連續(xù)深入系統(tǒng)的科研工作。
課題組對(duì)KDM家族進(jìn)行了深度的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)生物信息學(xué)序列分析。盡管KDM家族與TET,ALKBH家族相比具有共同的催化核心，但是三者之間具有顯著的差異。KDM家族具有更為復(fù)雜多樣的序列模體，并且已經(jīng)出現(xiàn)了非常明顯的motif角色分工，這導(dǎo)致KDMs的靶向定位以及活性調(diào)控更為精細(xì)，更為多樣，猶如精密的機(jī)器零件一般，呈現(xiàn)出模塊化的活性。總結(jié)出34個(gè)KDM序列模體，并將這些模體分為四類：催化模體，定位模體，調(diào)控模體和潛在模體。這樣的分類便于更好更清晰的理解家族成員眾多，功能多樣，調(diào)控機(jī)制極其復(fù)雜的KDM蛋白。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步剖析了由四類模體決定的多樣的生物功能。催化模體是KDM的核心，定位模體幫助催化模體去除特定的甲基化修飾的賴氨酸；調(diào)控模體參與酶-底物復(fù)合體的形成、互作網(wǎng)絡(luò)和轉(zhuǎn)錄調(diào)控的穩(wěn)定性；雖然潛在模體的功能尚不清楚，但其功能極可能與調(diào)控模體相似。最后，從序列模體的角度作出了KDM模塊化活性示意圖，進(jìn)一步闡述KDM家族功能多樣性。該研究成果2020年9月29日發(fā)表在國(guó)際生物信息學(xué)權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Briefings in Bioinformatics（2019 IF:8.990）上，第一作者為我校生命科學(xué)學(xué)院2016級(jí)生物工程專業(yè)本科生王澤蓉。
另外，小組成員們進(jìn)一步開(kāi)始研究具有與TET家族相同催化核心的ALKBH家族（RNA去甲基化酶）。與DNA去甲基化酶TET家族相比，ALKBH家族具有廣泛的底物選擇性包括DNA,RNA和蛋白質(zhì)。研究人員發(fā)現(xiàn)九個(gè)ALKBH家族成員的催化結(jié)構(gòu)域主要由四個(gè)關(guān)鍵loop組成，分別是L1、L2、L3、L4，詳細(xì)描述了四個(gè)關(guān)鍵loop及非同源結(jié)構(gòu)域與ALKBH底物選擇性的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，我們總結(jié)出了ALKBH的五種底物類型。AlkB含有四個(gè)關(guān)鍵loop，可通過(guò)擠壓和翻轉(zhuǎn)堿基的方式來(lái)修復(fù)損傷的DNA。 ALKBH2將其三個(gè)loop插入dsDNA中以輔助催化。ALKBH3、ALKBH5和FTO中的關(guān)鍵loop形成較窄的催化裂口，并傾向于結(jié)合單鏈核酸。ALKBH1、ALKBH8和FTO都具有非同源結(jié)構(gòu)域，以幫助其結(jié)合具有特殊構(gòu)象的核酸，例如tRNA和snRNA等。該成果2020年8月初在線發(fā)表在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊Cellular and Molecular Life Sciences（2018 IF: 7.014），第一作者為我校生命科學(xué)學(xué)院2016級(jí)生物工程專業(yè)本科生許寶芳。
除此之外，自2016年開(kāi)始課題組就已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)DNA去甲基化酶TET蛋白家族進(jìn)行深度的序列和結(jié)構(gòu)生物信息學(xué)分析工作，探索了三個(gè)TET家族成員間的進(jìn)化關(guān)系的保守性和差異性。發(fā)現(xiàn)三個(gè)TET家族成員TET1、TET2和TET3的催化功能域具有高度同源性，但其靶向定位模體和功能調(diào)控模體卻具有顯著差異性。催化功能域的保守性體現(xiàn)在：TET1、TET2和TET3的催化活性均依賴于Fe2+和α-酮戊二酸，F(xiàn)e2+結(jié)合模體偏向組氨酸和天冬氨酸，α-酮戊二酸結(jié)合模體偏向組氨酸、絲氨酸和精氨酸。差異性集中表現(xiàn)在靶向定位和功能調(diào)控上，文章中新鑒定出的兩個(gè)未知元件可能與TET3潛在功能有關(guān)。這種因編碼序列而產(chǎn)生的差異性在可變剪接過(guò)程中，產(chǎn)生了多樣的轉(zhuǎn)錄變體和蛋白質(zhì)亞型，經(jīng)過(guò)翻譯后修飾，各自執(zhí)行其特有功能。相關(guān)研究成果已于2019年9月正式發(fā)表在國(guó)際生物信息學(xué)權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Briefings in Bioinformatics（2018 IF: 9.101），第一作者為我校生命科學(xué)學(xué)院2014級(jí)生物科學(xué)基地本科生劉東陽(yáng)，論文發(fā)表后，國(guó)際同行給予積極評(píng)價(jià)，根據(jù)最新Web of Science統(tǒng)計(jì)顯示，該論文2020年3/4月-至今被ESI 1%高被引論文收錄。
相關(guān)論文鏈接：
1.https://academic.oup.com/bib/article/20/5/1826/5045641?searchresult=1
2.https://link.springer.com/article/10.1007/s00018-020-03594-9
3.https://academic.oup.com/bib/advance-article/doi/10.1093/bib/bbaa215/5912575
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