进化过程中的氨基酸替换影响新进展

5月27日，学术期刊Nucleic Acids Res发表了中科院上海生命科学研究院生化与细胞所裴钢研究组研究成果：进化过程中的单一氨基酸替换增强了哺乳动物Dnmt3b甲基化基因组DNA的能力。

旁系同源蛋白是指存在于某一物种中，由相同的祖先基因经由基因倍增产生的基因所编码的蛋白。以往的研究表明，旁系同源蛋白在进化中必须产生一定的功能差异才能得以保留，而进化过程中蛋白序列的变异不仅是导致同源蛋白功能差异的重要原因，也是一种自然选择参与其中的适应性进化。但进化过程中的氨基酸替换如何影响蛋白质功能，以及自然选择在其中的作用还很不清楚。

DNA甲基转移酶Dnmt3a和Dnmt3b是负责基因组起始性DNA甲基化的旁系同源蛋白，在表观遗传调控中起着重要的作用。虽然它们具有较高的同源性，但是体内功能并不相同。在小鼠中，敲除Dnmt3b是胚胎致死的，并且可以观察到小鼠全基因组及各种重复序列DNA的低甲基化现象；而Dnmt3a的基因敲除小鼠出生后大约四周死亡，而且没有明显的全基因组DNA低甲基化。因此Dnmt3a和Dnmt3b的序列演化和功能改变的关系，不仅能够加深对DNA甲基化这一重要的表观遗传调控机制的理解，而且有助于回答进化过程中氨基酸替换和自然选择如何影响蛋白质功能这个重要理论问题。

生化与细胞所细胞信号转导研究组的研究成果表明，Dnmt3a和Dnmt3b起源于脊椎动物产生时期附近的一次基因倍增事件，但哺乳动物Dnmt3b甲基化染色体DNA的能力显着高于Dnmt3a以及非哺乳动物的Dnmt3b。后续的序列比对和氨基酸突变实验表明，一个仅在哺乳动物Dnmt3b中存在的单一氨基酸替换I662N决定了其较高的甲基化染色体DNA的能力。该研究组进一步的研究提示，这个氨基酸替换显着增强了Dnmt3b结合核小体DNA的能力。而且，该氨基酸替换对于Dnmt3b甲基化哺乳动物基因组中的重复序列具有重要的作用。有趣的是，他们发现在哺乳动物产生的过程中，随着这些重复序列占基因组比例的大大提高，Dnmt3b的进化速率也显着高于Dnmt3a。这一研究成果表明哺乳动物Dnmt3b中的I662N氨基酸替换提高了它甲基化染色体DNA的能力，使之更好地适应了哺乳动物中重复序列增加等自然选择，从而丰富了哺乳动物的表观遗传调控系统，并为进化过程中氨基酸替换和自然选择如何影响蛋白质功能这个重要理论问题提供了一个很好的范例。

该项工作得到了国家科技部、国家自然科学基金委及中国科学院经费支持。

上海劲马生物（）推荐原文出处：

Nucleic Acids Research, doi:10.1093/nar/gkq456

A single amino acid substitution confers enhanced methylation activity of mammalian Dnmt3b on chromatin DNA
Li Shen1,2, Ge Gao3,*, Ying Zhang1,2, He Zhang3, Zhiqiang Ye3, Shichao Huang1,2, Jinyan Huang4 and Jiuhong Kang1,2,4,*

1Laboratory of Molecular Cell Biology and Center of Cell Signaling, Institute of Biochemistry and Cell Biology, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, 2Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200031, 3Center for Bioinformatics, National Laboratory of Protein Engineering and Plant Genetic Engineering, College of Life Sciences, Peking University, Beijing 100871 and 4Key Laboratory of Signaling and Disease Research, School of Life Science and Technology, Tongji University, Shanghai 200092, P.R. China

Dnmt3a and Dnmt3b are paralogous enzymes responsible for de novo DNA methylation but with distinguished biological functions. In mice, disruption of Dnmt3b but not Dnmt3a causes global DNA hypomethylation, especially in repetitive sequences, which comprise the large majority of methylated DNA in the genome. By measuring DNA methylation activity of Dnmt3a and Dnmt3b homologues from five species, we found that mammalian Dnmt3b possessed significantly higher methylation activity on chromatin DNA than Dnmt3a and non-mammalian Dnmt3b. Sequence comparison and mutagenesis experiments identified a single amino acid substitution （I662N） in mammalian Dnmt3b as being crucial for its high chromatin DNA methylation activity. Further mechanistic studies demonstrated this substitution markedly enhanced the binding of Dnmt3b to nucleosomes and hence increased the chromatin DNA methylation activity. Moreover, this substitution was crucial for Dnmt3b to efficiently methylate repetitive sequences, which increased dramatically in mammalian genomes. Consistent with our observation that Dnmt3b evolved more rapidly than Dnmt3a during the emergence of mammals, these results demonstrated that the I662N substitution in mammalian Dnmt3b conferred enhanced chromatin DNA methylation activity and contributed to functional adaptation in the epigenetic system.