AlkB蛋白介导的核酸去甲基化在植物中的研究进展.pdf

932023 年/第 10 期特种经济植物AlkB 蛋白介导的核酸去甲基化在植物中的研究进展周 颖（重庆大学生物工程学院重庆404100）摘要：AlkB 蛋白家族的铁依赖双加氧酶在整个生命树的大多数生物体中都存在，该家族可以介导核酸去甲基化，从而在表观遗传上发挥重要的调节作用。通过阐述 AlkB 家族蛋白的结构特点，重点总结其在植物生长发育中的去甲基化作用及相应机制，为以后深入研究AlkB家族功能以及其在植物育种、作物产量上提供理论依据。关键词：AlkB 蛋白；甲基化；去甲基化AlkB 蛋白介导的核酸去甲基化属于表观遗传领域，是当今医学上的一个热门研究方向，已在癌症早筛、伴随诊断、药物研发上有所应用，如 m6A 去甲基化酶 FTO 可运用在抑制白血病细胞增殖上，有望成为白血病新的分子治疗靶点和临床预后指标1；ALKBH5 抑制物可用于治疗病毒感染性疾病或与病毒感染相关的疾病2。但是到目前为止，关于其家族去甲基化的研究主要集中在人和哺乳动物，对植物的研究则相对较少，通过综述该家族蛋白在植物领域的最新研究进展，以期为其植物领域上的研究提供理论依据。1甲基化与去甲基化甲基化是核酸化学修饰中最多的一种，它不改变基因的序列，却对基因表达、细胞命运及个体发育等过程起到关键的调控作用。目前，已报道发生在DNA 上的甲基化修饰有 3 种：5-甲基胞嘧啶（5-mC），是最重要的一种 DNA 甲基化修饰，广泛存在于植物、动物等真核生物基因组中，被称为“第五碱基”；5-羟甲基胞嘧啶（5-hmC），也称哺乳动物的“第六碱基”；N6-甲基腺嘌呤（N6-mA），最先在小鼠胚胎干细胞 DNA 修饰中被发现，也存在于细菌、藻类及动植物基因组中。已报道发生在 RNA 上的甲基化有 3 种：N6-腺苷酸甲基化（m6A），是 RNA 上最丰富的一种修饰，存在于大多数真核生物和一些病毒的 mRNA 中，也存在于 tRNA、rRNA、snRNA 以及 lncRNA 中；N1-腺苷酸甲基化（m1A）；胞嘧啶羟基化（m5C）。同时，人们对与甲基化相对应的去甲基化过程越来越感兴趣，研究发现了一种蛋白AlkB，它可以去除 DNA、RNA 中的甲基和其他烷基，实现核酸化学修饰的可逆性。2AlkB 蛋白的结构特征1983 年，Kataoka 等3发现大肠杆菌突变菌株对甲基磺酸甲酯（MMS）十分敏感，并将该潜在功能基因命名为 AlkB。随后分析证实了 AlkB是铁（II）和-酮戊二酸依赖性双加氧酶超家族，它以亚铁离子为辅因子，-酮戊二酸为共底物进行各种氧化反应，进而去除 DNA、RNA 中的甲基和其他烷基，实现核酸化学修饰的可逆性。大多数 AlkB 家族成员都包含一个由 200300 个氨基酸组成的“Jelly-roll”拓扑结构，即AlkB 结构域，其主要由两个 折叠片组成，也称双链-螺旋（DSBH）。在 DSBH 核心“开放端”的组氨酸-X-天冬氨酸（HXD）基序，以及其下游的第二个组氨酸是这个家族中高度保守的基序。HXD 这三个残基能催化铁原子的配位，并且-酮戊二酸辅因子的两个氧原子也能进一步形成铁的八面体配位。DSBH 上的最后一个 折叠始末有两个保守的精氨酸残基，能与 2-OG 形成盐桥相互作用，进一步稳定-酮戊二酸的结合4。该家族还存在一个保守的核苷酸识别盖，由一个小的 折叠组成，有助于识别底物特异性。除了催化、识别上具有保守性质外，AlkB 家族的碱基结合成员还有一个特征，就是所结合的残基作者简介：周颖（1997.10-），女，研究方向：植物分子生物学。PECIAL ECONOMIC ANIMALS AND PLANTS特种经济动植物S942023 年/第 10 期都是有芳香堆积在受损碱基上，尽管在不同的家族成员之间没有严格保守的芳香残基类型。3植物的 AlkB 蛋白近些年，AlkB 家族蛋白的生物学功能、生化活性和结构特征主要集中在哺乳动物与大肠杆菌上进行研究，在植物中的报道很少。目前，在拟南芥中共鉴定出 13 个 AlkB 家族基因，即：ALKBH1A、ALKBH1B、ALKBH1C、ALKBH1D、ALKBH2、ALKBH6、ALKBH8A、ALKBH8B、ALKBH9A、ALKBH9B、ALKBH9C、ALKBH10A 和ALKBH10B。其中ALKBH9A、ALKBH9B、ALKBH9C、ALKBH10A 和 ALKBH10B 具有与人类ALKBH5蛋白最相似的氨基酸序列。拟 南 芥 AtALKBH2 蛋 白 对 DNA 中 的 甲基和乙烯加合物表现出体外修复活性，敲除AtALKBH2 基因后植株对甲基化诱变剂 MMS 敏感，种子、叶片形状不正常，细胞坏死增加，说明 AtALKBH2 能够保护拟南芥免受 DNA 甲基化损伤，与其他 AlkB 同系物一样，在拟南芥中行使去甲基化功能5。AtALKBH6 为潜在的去甲基化酶，具有与 m6A 和 m5CRNA 结合的能力，在种子萌发、幼苗生长和非生物胁迫中发挥重要作用6。AtALKBH8A 与哺乳动物 ALKBH8 的功能类似，参与成熟 tRNA 的加工7。AtALKBH8B 在拟南芥对盐胁迫和脱落酸（ABA）的反应中起作用。AtALKBH8B 过表达的转基因拟南芥植株表现出耐盐性，与野生相比，AtALKBH8B 过表达转基因植株的总 m6A 水平降低。外源施加 ABA后，AtALKBH8B 突变体植株的子叶绿化和幼苗生长远高于野生型8。AtALKBH9B 具有 6-meA去甲基化酶活，并与苜蓿花叶病毒的外壳蛋白相互作用，最终影响病毒感染9。拟南芥中敲除ALKBH10B，增加了开花激活因子（FT）及其上游基因 SPL3 和 SPL9 的 m6A 修饰，高甲基化的mRNA 加速衰变，从而表现出开花延迟，营养生长受到抑制的表型10。在含有 2、4 的 ABA 培养基上，AtALKB10B 突变体的根长受到明显的抑制，检测发现 ABI3 和 ABI4 基因表达量上调，说明 AtALKB10B 还与 ABA 相关。AtALKBH10B 突变体的还表现出耐盐表型，在盐胁迫下 ATAF1、BGLU22 和 MYB73 的表达量下调11。随后，其他植物中的 AlkB 蛋白也陆续被发现。西瓜 ClALKBH2B 和 ClALKBH4B 受不同的转录因子调控，且 ClALKBH4B基因可抑制黄瓜绿斑驳花叶病毒积累12。水稻 OsALKBH1 对 ssDNA 的 m1dA 具有去甲基化的酶活，且其酶活强于 m6dA，并通过 EMSA 等实验证明 OsALKBH1与 ssDNA、dsDNA 存 在 互 作13。番 茄 中 的SLALKBH2 可介导 6-meA 去甲基化酶通过稳定SlDML2mRNA 的水平来促进番茄果实成熟14。番茄 SLALKBH3 可以通过影响 3UTR 区域中乙烯相关基因的 m6A 修饰的表达量来调控番茄花柄脱落15。番茄中还存在一个与哺乳动物 ALKBH2同源的蛋白，序列号为 XP_004236651，对该基因敲除，发现突变体植株对 DNA 甲基化剂 MMS高度敏感，具体表现在幼苗的生长延缓、种子发芽率低、离体叶片快速衰老以及畸形率升高，并且敲除该同源基因还会导致具有高转录活性的rDNA 甲基化程度升高16。4总结与展望近年来，随着新一代测序技术的发展，在分析 ALKB 家族蛋白以及去甲基化方面取得了很大进展，但是也存在一些疑问。比如拟南芥的AtALKBH10B 虽属 ALKB 同源物，但并不具有该家族铁（II）和-酮戊二酸依赖性双加氧的典型的结构域，却也同样具有去甲基化的功能，那么猜测是否该家族还存在其他发挥作用的位点亦或是其他原因。此外，在植物生长发育的各阶段中，ALKB 受什么信号调控、何时发生去甲基化、如何维持植物体内甲基化与去甲基化的动态平衡等，还需要未来进一步研究，进而在农业生产上有更好运用。参考文献1肖巧玲.NPM1突变蛋白调控 FTO 介导的 m 6A 去甲基化通过 PDGFRB/ERK 通路促进白血病细胞存活 D.重庆：重庆医科大学，2022：1-85.2Yang Liu，Yuling You，Zhike Lu，et al.N6-methyladenosine RNA modificationmediated cellular metabolism rewiring inhibits viral replicationJ.Science，2019，365（6458）：1171-1176.3Kataoka H，Yamamoto Y，Sekiguchi M.A new gene（alkB）952023 年/第 10 期特种经济植物of Escherichia coli that controls sensitivity to methyl methane sulfonateJ.Journal of bacteriology，1983，153（3）：1301-1307.4Elkins Jonathan M，Ryle Matthew J，Clifton Ian J，et al.X-ray crystal structure of Escherichia coli taurine/alpha-ketoglutarate dioxygenase complexed to ferrous iron and substratesJ.Biochemistry，2002，41（16）：5185-5192.5Meza 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