近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所生物分子模擬應(yīng)用研究取得新進(jìn)展，李國輝研究員團(tuán)隊與中科院上海生科院生化細(xì)胞所合作，以共同通訊作者形式在Nature雜志上發(fā)表全文(Article)。
DNA和組蛋白修飾作為表觀遺傳中最為重要的因素，一直是生物學(xué)研究中的熱點領(lǐng)域之一，在細(xì)胞正常生理過程以及疾病的發(fā)生發(fā)展中都具有非常重要的研究價值和科學(xué)意義。組蛋白甲基化或?qū)?yīng)的去甲基化過程對于基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，細(xì)胞增殖分化等起著至關(guān)重要的調(diào)控作用，相關(guān)甲基化酶基因的突變異常會導(dǎo)致多種遺傳疾病和癌癥。
組蛋白H3第4位賴氨酸的甲基轉(zhuǎn)移酶MLL就因為其基因易位重排所引起的混合系白血病(Mixed Lineage Leukemia)而得名，與造血功能密切相關(guān)。MLL基因編碼了6個包含甲基轉(zhuǎn)移酶結(jié)構(gòu)域的相關(guān)蛋白。實驗發(fā)現(xiàn)，MLL甲基轉(zhuǎn)移酶與其他修飾酶不同，它行使功能需要多個輔助蛋白WDR5,RbBP5,AshL2組成復(fù)合體才能完成甲基化修飾過程。由于缺乏原子分辨的結(jié)構(gòu)，整個復(fù)合物如何有效地實現(xiàn)甲基化修飾一直無法被研究清楚。實驗合作者中科院上海生化細(xì)胞所、國家蛋白質(zhì)中心（上海）雷鳴研究員和陳勇研究員團(tuán)隊，經(jīng)過多年的努力，獲得了這一重要復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)，同時被解析的還有MLL酶單體，以及與底物結(jié)合的復(fù)合體結(jié)構(gòu)，為這一重要生理過程的微觀機(jī)理解析奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
大連化物所生物分子模擬應(yīng)用研究取得新進(jìn)展
盡管有了單體和復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)，但是由于得到的是靜態(tài)結(jié)構(gòu)，構(gòu)象變化不明顯，無法闡明輔助蛋白以及MLL甲基化酶修飾底物過程的動態(tài)學(xué)分子機(jī)制。為了回答這一關(guān)鍵科學(xué)問題，李國輝與實驗合作者密切合作，提出和設(shè)計了結(jié)合增強(qiáng)型采樣技術(shù)的分子動力學(xué)模擬方案，以及利用QM/MM/MD方法計算底物結(jié)合和催化過程自由能的研究思路。通過動態(tài)學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，MLL酶家族不同成員都具有類似的動態(tài)學(xué)特性。在有輔助蛋白存在情況下，MLL酶活性口袋區(qū)域關(guān)鍵殘基的動態(tài)學(xué)特性有很大變化，而且它們之間運動的相關(guān)性也有很大差異，輔助蛋白的存在導(dǎo)致了活性口袋區(qū)域的關(guān)鍵殘基運動更加傾向于一致性，適合于穩(wěn)定底物，而沒有輔助蛋白存在時關(guān)鍵殘基運動趨于無規(guī)則，不利于底物結(jié)合。這與相應(yīng)的核磁共振實驗非常吻合，驗證了上述動態(tài)學(xué)模擬的正確性。同時，針對底物結(jié)合和催化過程自由能變化的定量理論計算研究發(fā)現(xiàn)，對于同一個MLL甲基化酶而言，有輔助蛋白存在情況下底物催化反應(yīng)的自由能能壘確實會有所下降，利于反應(yīng)的進(jìn)行。對MLL甲基化酶不同家族成員的整個甲基化修飾過程而言，底物結(jié)合要比底物催化更具有選擇性，也就是說，當(dāng)?shù)孜锝Y(jié)合到活性口袋之后，催化反應(yīng)的發(fā)生對于被研究的MLL家族成員沒有太大差別，整個修飾過程的限速步在于底物結(jié)合。從動態(tài)學(xué)和定量角度闡明了MLL甲基化酶及其與輔助蛋白組成的復(fù)合物對于底物結(jié)合以及催化過程調(diào)控的分子機(jī)制，為復(fù)雜的復(fù)合物蛋白酶的功能機(jī)理研究提供了嶄新的研究思路。文章得到了審稿人的高度評價“作者提出了根本性新穎的概念”。
