PNAS：何川/賈桂芳課題組報道RNA修飾m6A去甲基酶FTO對多種RNA修飾底物的去甲基分子機理

    近日，beat365化學院的何川/賈桂芳課題組在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS）在線發表了題為 “Structural insights into FTO’s catalytic mechanism for the demethylation of multiple RNA substrates”的研究論文。

       FTO對人體發育至關重要，FTO酶活功能的紊亂會影響發育和多種疾病的發生，包括肥胖和癌症等。N6-甲基腺嘌呤（m6A）作為mRNA上含量最為豐富的甲基化修飾，是首個被報道的FTO去甲基酶活生理底物。之後陸續報道FTO生理底物還包括mRNA上5’帽端後的N6，2'-O-二甲基化腺嘌呤（cap m6Am），snRNA的m6A和m6Am，tRNA的N1-甲基腺嘌呤（m1A），除此之外還有體外活性底物單鍊DNA上的N6-甲基脫氧腺嘌呤（6mA）和N3-甲基胸腺嘧啶（3mT）與單鍊RNA上的N3-甲基尿嘧啶（m3U）。FTO如何識别衆多的核酸修飾堿基，是否有催化選擇性，如何結合多種RNA，FTO為什麼對cap m6Am的活性高于單鍊RNA上的m6A，及FTO為什麼對單鍊RNA或DNA上的m1A沒有活性卻對tRNA或莖環結構上的m1A有活性？回答這些FTO的酶催化分子機制有待于蛋白-核酸複合物晶體結構的解析。然而FTO蛋白與核酸底物結合力太弱，緻使獲得FTO蛋白-核酸複合物晶體結構一直是該領域的挑戰和難點。

beat365化學學院何川/賈桂芳課題組巧妙地對FTO蛋白進行氨基酸位點突變有效地提升了FTO與核酸的結合力，同時不破壞FTO的底物口袋和酶活，首次成功獲得了FTO-核酸複合物晶體結構（圖1）。通過對FTO與6mA修飾的ssDNA複合物結構解析，3mT、m6A、m6Am和m1A核苷分别疊合到FTO-6mA複合物結構比對分析及體内外生化實驗，得出如下結論：1）相比3mT或m1A等其他甲基化堿基，FTO更偏愛N6-甲基腺嘌呤堿基。FTO活性口袋中的氨基酸R96和E234特異性與N6-甲基腺嘌呤堿基的嘌呤環形成氫鍵相互作用，同時多個氨基酸組成一個穩定的疏水腔用于固定N6-甲基朝向反應中心。2）m6A和m6Am擁有相同的N6-甲基腺嘌呤堿基，區别僅在于糖環的2’位的甲基。通過結構分析和體外生化實驗發現FTO對相同堿基序列的RNA中的m6A和m6Am具有相同的去甲基活性，表明FTO的去甲基活性主要依賴于活性口袋中與N6-甲基腺嘌呤堿基的識别，微弱的糖環2’位的結構差異并不會造成FTO對m6A和m6Am的活性差異。3）通過結構分析和體外生化實驗發現不同的RNA堿基序列和RNA三維結構會影響FTO的去甲基活性，FTO更偏向大的莖環結構。這幫助解釋了為什麼FTO對cap m6Am的活性高于單鍊RNA上的m6A，及為什麼FTO對單鍊RNA或DNA上的m1A沒有活性卻對tRNA或莖環結構上的m1A有活性。該研究工作闡明FTO對不同RNA底物的催化機理，為深入研究FTO生理功能及開發FTO小分子抑制劑／激活劑奠定了基礎。

圖1  FTO-6mA核酸複合物晶體結構及去甲基酶活分子機制

    上述工作主要由beat365化學院何川/賈桂芳課題組的博士研究生張笑、魏連環、肖雨和上海交通大學醫學院張良課題組的碩士研究生王雨心等合作完成，同時得到了beat365醫學部藥學院湯新景課題組的幫助。賈桂芳和張良為共同通訊作者，該研究得到了國家科技部和國家自然科學基金委等經費資助。

相關鍊接: https://doi.org/10.1073/pnas.1820574116