12月12日，中国科学院植物逆境生物学研究中心杜嘉木课题组，中科院院士、中科院遗传与发育生物学研究所曹晓风课题组合作完成的论文，以Structure of the Arabidopsis JMJ14-H3K4me3 Complex Provides Insight into the Substrate Specificity of KDM5 Subfamily Histone Demethylases为题，在线发表在The Plant Cell上，该研究利用结构生物学、生物化学和细胞生物学等手段，揭示了KDM5亚家族组蛋白去甲基化酶的底物识别机制。

 

组蛋白修饰在生物体生长发育过程中发挥着重要作用，与基因沉默、基因激活、肿瘤生成、染色体形态建成以及遗传物质修复等生物学问题密切相关。对其分子机制的研究为探索生命本质以及开发相应的靶点药物提供了理论依据。

 

以往研究表明，拟南芥JMJ14是一个含有jumonji结构域的组蛋白H3K4me3的去甲基化酶，从序列分析上属于KDM5亚家族。人源的KDM5亚家族基因可以促进肿瘤生成及产生耐药性，因而是重要的抗癌药物靶标，但植物或动物中KDM5亚家族去甲基化酶的其底物识别机制尚不清楚。拟南芥的JMJ14已报道具有调控开花、RNA介导的基因沉默以及DNA甲基化等重要的生理过程，但其底物识别机制也不清楚。

 

 研究中，研究人员使用了更精准的酶活测定系统，质谱结果表明JMJ14是一个H3K4me3和me2的去甲基化酶，而对me1作用不明显。而后利用X射线晶体衍射的方法解析了JMJ14处于apo状态和底物复合物状态的结构。JMJ14主要有jumonji、helical以及C5HC2三个结构域组成，jumonji以及C5HC2结构域上的3个酸性氨基酸与组蛋白小肽上H3R2和H3Q5发生了大量的氢键以及盐键的相互作用，形成特异性识别。将这几个酸性氨基酸突变之后，JMJ14的体内酶活显著下降，表明这几个氨基酸确实参与了底物识别。此外，由于人源KDM5家族蛋白是重要的抗癌药物靶标，而其底物识别机制还不是很清楚。通过氨基酸序列和三维结构比对发现，JMJ14参与底物识别的氨基酸在KDM5B中非常保守，暗示着它们采用了相似的底物识别机制。将KDM5B中相应的氨基酸突变后其酶活明显下降，证明了以上猜想。该项工作不仅解析了以JMJ14为代表的KDM5亚家族H3K4me3去甲基化酶的去甲基化机制，还为以人源KDM5为靶标的抗癌药物开发提供了理论基础。

 

 逆境中心质谱平台为该研究提供了酶活实验帮助，上海同步辐射光源国家蛋白质设施BL19U1（SSRF）为数据收集提供了及时有效的支持。研究工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委以及中科院的资助。（来源：中国科学院上海 研究院

 

 

 

JMJ14特异识别并催化组蛋白H3K4me3的分子机制。A.JMJ14催化结构域的表面电荷分布，组蛋白H3K4me3以棒状模型展示。B.JMJ14特异识别组蛋白第二位的精氨酸，第五位的谷氨酰胺和第7位的丙氨酸。