9月14日，國際學術期刊Molecular Cell在線發(fā)表了中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心（生物化學與細胞生物學研究所）陳勇研究組、華東理工大學全舒研究組、中國科學院大連化學物理研究所李國輝研究組、上海國家蛋白質科學中心劉志軍博士和彭超博士合作的文章：“Structural basis for product specificities of MLL family methyltransferases”。該研究揭示了MLL家族蛋白具有不同產(chǎn)物特異性的分子機制。
賴氨酸甲基轉移酶催化底物發(fā)生甲基化是一類經(jīng)典的多步催化反應，不同的賴氨酸甲基轉移酶可以催化底物發(fā)生單、雙、三甲基化。同一位點不同程度的甲基化狀態(tài)一般被認為可以作為不同的化學修飾標記，發(fā)揮不同的生物學功能。其中最典型的例子是組蛋白H3K4的單、雙、三甲基化。在哺乳動物體內，H3K4的三甲基化（H3K4me3）通常分布在轉錄起始位點（TSS）附近，和轉錄激活息息相關；H3K4的單甲基化（H3K4me1）則通常位于增強子區(qū)域，作為增強子的典型標記。
H3K4甲基化在體內主要是由MLL家族甲基轉移酶催化的。在哺乳動物中，有6個具有甲基轉移酶活性的MLL家族蛋白成員，包括MLL1，MLL2，MLL3，MLL4，SET1A和SET1B。盡管都源于酵母中相同的祖先Set1，但MLL家族蛋白在細胞的命運決定中發(fā)揮著非冗余的重要功能，這可能和它們具有不同的產(chǎn)物特異性相關。但如何準確界定不同MLL蛋白的產(chǎn)物特異性，仍缺乏一個可靠的判斷標準。催化口袋高度類似的MLL家族蛋白為何呈現(xiàn)不同的產(chǎn)物特異性，其背后的分子機制一直是領域內懸而未決的問題。
陳勇研究組長期從事MLL家族蛋白的結構和功能研究，在過去的工作中系統(tǒng)地揭示了MLL家族蛋白介導的組蛋白甲基化修飾建立和調控的分子機制（Nature 2016；NAR 2019；Structure 2019；JBC 2021；iScience 2022）。在這項最新發(fā)表的工作中，研究人員首先建立了三種測活方法（Methyl-Quant WB，Methyl-Quant LC–MS/MS和Methyl-Quant MALDI-TOF MS），用來表征MLL復合物催化單、雙、三甲基化反應的動力學差異。通過比較不同MLL復合物催化底物發(fā)生單、雙、三甲基化的速率常數(shù)k1，k2，k3及各級反應速率之間的差距，研究人員將MLL1/2定義為非連續(xù)的雙甲基轉移酶，MLL3/4定義為單甲基轉移酶，而SET1A/B是非連續(xù)的三甲基轉移酶。利用這些測活系統(tǒng)，研究人員進一步發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物特異性主要由最小的MLL-RBBP5-ASH2L三元復合物決定，其他的亞基如DPY30等主要影響酶活速率而不影響產(chǎn)物特異性。
為了進一步探討產(chǎn)物特異性的分子機制，研究人員綜合利用X-射線晶體學，19F-NMR和分子動力學計算模擬表征了MLL家族蛋白活性口袋關鍵酪氨酸殘基的空間構象和動態(tài)性變化。他們發(fā)現(xiàn)，不同MLL家族蛋白中的關鍵酪氨酸殘基的構象基本一致，但是卻表現(xiàn)出了不一樣的動態(tài)性。對于第一個關鍵酪氨酸殘基（Y1），動態(tài)性SET1B＞MLL1＞MLL3，所以SET1B和MLL1可以克服Y1的空間位阻，利于發(fā)生H3K4me1到H3K4me2的過程，而MLL3中的Y1相對固定不利于二甲基化反應的進行。對于第二個關鍵酪氨酸殘基（Y2），動態(tài)性SET1B＞MLL1，所以SET1B更容易克服Y2的空間位阻，利于催化產(chǎn)生H3K4me3。這一分子機制也可以推廣到其它的甲基轉移酶，比如關鍵酪氨酸殘基的動態(tài)性可以用于區(qū)分二甲基轉移酶GLP和三甲基轉移酶DIM5。
綜上所述，這項工作提出，在級聯(lián)反應中，不同步驟之間的速率比（k1/k2和k2/k3），而不是絕對反應速率，是定義組蛋白甲基轉移酶產(chǎn)物特異性的定量標準。這項工作揭示了關鍵氨基酸的動態(tài)性在甲基轉移酶催化進程中的重要作用，為進一步了解組蛋白甲基化的動態(tài)調控機制奠定了基礎。
分子細胞卓越中心副研究員黎彥璟（現(xiàn)為華東理工大學特聘研究員），博士研究生趙利杰，大連化學物理研究所副研究員張躍斌，國家蛋白質科學中心質譜系統(tǒng)吳萍為本文共同第一作者，陳勇研究員、全舒教授、劉志軍博士、李國輝研究員、彭超博士為本文共同通訊作者。論文也得到了上海交通大學雷鳴教授和中國科學技術大學田長麟教授的大力支持。該研究得到張江實驗室國家蛋白質科學研究（上海）設施BL19U1晶體衍射線站、核磁系統(tǒng)、質譜分析系統(tǒng)和規(guī)模化蛋白質制備系統(tǒng)的支持和幫助。該研究工作獲得中科院戰(zhàn)略性先導計劃，上海市基礎研究特區(qū)計劃，國家自然科學基金委，國家重點研發(fā)計劃，中國科協(xié)青年人才托舉工程，中國博士后科學基金會，張江實驗室II期項目，中科院大科學設施維修改造項目等項目的經(jīng)費資助。
