生物物理與結構生物學 科學報導 結構生物學

DNA 中的第七種核苷酸- 5fC 在調控 DNA 結構上的新角色

胞嘧啶修飾在表徵遺傳學(epigenetics)扮演相當重要的角色,例如藉由甲基化修飾(5mC)DNA,將改變 DNA 與轉錄因子的結合能力進而調控基因的表現。最近除了熟知的 5mC 之外,科學家仍欲揭開另外三種胞嘧啶修飾:5-hydroxymethylcytosine(5hmC)、5-Formylcytosine(5fC)及 5-carboxylcytosine(5caC)在生物學上扮演的角色。目前廣為接受的假設是此三種胞嘧啶參與去甲基化的反應,重置 epigenetics 訊息(圖a)。但從結構生物學出發,探討多種修飾間如何調控基因的表現,仍然有限。由劍橋大學科學家 Balasubramanian 領導的團隊發現:在重複 CpG 序列中,其內高度甲醯化修飾的胞嘧啶(5fC),可以在 X-ray 結晶中觀測到有別於一般常見的「B-DNA」:新的雙股螺旋 DNA 結構,F-DNA(圖b)。

圖 a. 在 DNA 中的 CpG repeats 處發現胞嘧啶 (cytosine, C) 高表現。

圖 b. 含 5fc 的寡核甘酸被發現具有特殊的光學性質與結構。

【5-Formylcytosine 熱力學及光譜學特性】
熱力學特性上,胞嘧啶各種修飾對 DNA 熱穩定貢獻由高到低分別是 5mC > 5hmC > 5fC = 5C > 5caC,換言之,5fC 並沒有增加修飾後 DNA 本身的熱穩定性。然後,有趣的是在光譜學的特性上,含有 5fC 的 DNA在圓二色(Circular Dichroism)光譜中註一,在波長 280 nm 上面有一明顯的特徵峰,但“出乎預料的是其橢圓率(ellipticity)為負值”。(一般來說,常見的右旋 B-DNA 在 280 nm 特徵峰橢圓率為正值,而不常見的左旋 Z-DNA 橢圓率為負值。),與含有 5mC、5hmC、5C 及 5caC 的 DNA 正值特徵峰形成強烈的對比區別,此事引發了研究團隊的興趣。利用此區別,將溶液中加入硼氫化納(NaBH4)將 5fC 還原成 5hmC,圓二色光譜儀可以觀測到 DNA 分子的動態變化從 F 型態轉為 B 型態!

【5-Formylcytosine 在鹼基配對上及螺旋纏繞上的影響】
目前已知 5mC 與 5hmC 並不會影響原來的 B-DNA 結構以及鹼基配對特性。但由 5fC 所形成的 F-DNA 與已經發現的 A、B 型態 DNA 有著極大的結構差異,例如:5fC 與其配對鹼基所形成的的 propeller twist 角度(-18.1°)幾乎為 A 及 B 型態 DNA 的兩倍、在新型態的 F-DNA 型態中,凹溝(groove)的幾何型態因為 5fC 而改變,使得 Major groove 空間狹窄化,而 Minor groove 開放出較大的鹼基配對面積。

【F-DNA 新型結構在調控基因修復以及轉錄機制所扮演的角色】
由 Babraham Institute 由 Wolf Reik 教授率領的團隊利用蛋白質體學技術,發現具有高密度甲醯化胞嘧啶的 DNA 序列能夠有利於醣基酶(glycosylase)、轉錄調控因子以及染色質重塑建因子(chromatin remodeler)結合。引人注意的是,MPG(DNA-3-methyladenine glycosylase)這個參與DNA修復的醣基酶,對於包含 5fC 的序列有高度選擇性,並且在進行鹼基翻轉(base-flipping) 機制的初始步驟時,選擇了與 F-DNA Minor groove 結合而非 Major groove(圖d),暗示了較開放的 Minor groove 結構在生物調控上扮演了重要的角色。即使此篇所顯示 F-DNA 結構可能只是其中一種 F-DNA 可能構形,但此篇研究確實提供了 F-DNA 如何調控生物功能的結構基礎。

圖 c. B-form DNA, locate the major groove, the minor groove, the phosphodiester back bone and the axis of the helix.

註一:圓二色光譜原理為利用對掌性分子(Chiral molecule)對於左旋及右旋圓型極化光吸收度的不同,使得兩極化光通過對掌性分子後,疊加成橢圓極化光。此技術廣泛用於區辨光學異構物之用,例如,左旋的 Z-DNA 分子,橢圓率在 280 nm 左右為負值,右旋的 A 或 B-DNA 分子,橢圓率在 280 nm 左右為正值。

撰稿人|邱亮源

修訂|任怡昕

參考文獻:

  1. Raiber, E. A., Murat, P., Chirgadze, D. Y., Beraldi, D., Luisi, B. F., & Balasubramanian, S. (2015). 5-Formylcytosine alters the structure of the DNA double helix. Nature Structural and Molecular Biology22(1), 44.                      doi: 10.1038/nsmb.2936
  2.  Nuclear acids in chemistry and biology, 3rd edition

圖片網址:
圖a, b: https://www.nature.com/articles/nsmb.2936
圖c: http://utcom2010.wikispaces.com/Nucleic+Acids+and+DNA+Replication

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