DNA 6mA（N6-甲基腺苷）作為DNA的第二種修飾形式，是哺乳動物基因組表觀遺傳調控的重要組成。基因組6mA的水平在生物體內具有調節組織發育、性別比例、基因表達、X染色體失活等多種作用，闡明其調控機制是解碼這一新型修飾堿基生物學功能的關鍵。2016年，耶魯大學Andrew Xiao首次報道ALKBH1在真核生物中具有DNA 6mA去甲基化酶活性，而后一系列的研究表明人源ALKBH1的異常表達導致了多種發育缺陷和癌癥的發生。然而，ALKBH1的生化機理和分子機制并不清楚。
2020年3月10日，《Cell Research》正式發表了生物物理所許文青/梁棟材課題組與中國農大陳忠周課題組合作的題為“Structural basis of nucleic acid recognition and 6mA demethylation by human ALKBH1”的研究論文，在ALKBH1的核酸底物識別及6mA去甲基化機制研究方面取得突破性進展。
ALKBH1識別與催化Bubble/Bulge DNA 6mA去甲基化的結構基礎
該工作首次報道了人源ALKBH1 free狀態以及ALKBH1-Mn2+-α-KG復合物的高分辨率晶體三維結構。ALKBH1區別于AlkB家族其它蛋白，具有多個新的結構特征。其獨有的Flip0區域，位于活性中心的口袋附近，對于ALKBH1底物識別和發揮6mA去甲基化酶活性中起著至關重要的作用。遠離活性中心且帶正電荷的Flip1，在面向活性中心的一側有大量的堿性氨基酸殘基，形成一個較大的正電荷區域，這些堿性殘基的突變使ALKBH1喪失了與DNA的結合能力。此外，ALKBH1結合α-KG后活性中心附近的Tyr184和Glu236向活性中心移動并通過氫鍵與Arg344形成穩定的三角形結構，保證了ALKBH1 執行6mA去甲基化酶的活性。此外，在ALKBH1結構中Flip1、Flip2含有很長一段Loop, 其構象變化與位于Flip2上的Tyr177、Trp179一起參與了DNA 6mA的識別和結合。在這個工作中，我們還發展了一種新穎、穩定且高通量的6mA去甲基化的體外酶促方法。通過這個方法對不同底物進行初篩，結合三維結構分析和質譜測定結果表明，ALKBH1的優先底物是凸起狀或氣泡狀的非配對dsDNA，Bulge或Bubble；而不是ssDNA或dsDNA。這種對局部不配對特征的核酸修飾堿基去甲基化在生理學上有著重要的意義。這項研究工作為ALKBH1的底物選擇機制, 催化反應機理和生理功能的探究提供了結構基礎, 并為相關疾病的藥物設計提供了重要依據。
中國科學院生物物理研究所許文青/梁棟材課題組閆小雪副研究員和中國農業大學陳忠周教授為本文的共同通訊作者，博士研究生田利飛和劉晏平助研為本文的共同第一作者，陳聯琦、唐群和孫偉博士，以及中國農大的吳薇博士參與了該項工作的完成。上海同步輻射光源（BL19U1、BL17U1）和生物物理所科學研究平臺為該研究提供了重要的技術支持。這項研究得到中國科學院戰略性先導科技專項、生物大分子國家重點實驗室和國家自然科學基金的資助。