复旦大学麻锦彪团队和中科大张凯铭团队合作解析人源m6A甲基化酶复合物冷冻电镜结构

发布者:冯素云发布时间:2022-10-05浏览次数:16


2022927日,复旦大学麻锦彪团队和中国科学技术大学张凯铭团队合作在Cell Research杂志在线发表了题为《Cryo-EM structures of human m6A writer complexes》的文章,该研究通过冷冻电镜解析了两套分辨率在3.0Å的人源m6A甲基化酶调控亚基复合物的核心区域高分辨结构,以及整体分辨率为4.4 Å的人源m6A甲基化酶复合物整体结构。研究团队结合蛋白质-蛋白质和蛋白质-RNA交联质谱以及GST pull-down等生化实验与结构分析,提出了m6A甲基化酶复合物识别和修饰RNA底物的合理模型。


1. MAC-MACOM的活性测试及MACOM复合物的整体结构。a, MAC-MACOM进行RNA m6A甲基化修饰的工作模型。b, c, MAC, HWVZ, MAC-HWVZ复合物尺寸排阻色谱峰图以及对应SDS-PAGE电泳图。d, 使用Actb-1 RNA来比较单独MAC及其与不同组分MACOM复合物组合的m6A甲基化活性。e, 所用人源MACOM复合物的结构域示意图。虚线代表电镜结构中不可见的区域。f, HWVZ复合物的电镜密度(左)与结构(右)示意图。g, HWV复合物的电镜密度(左)与结构(右)示意图。


RNA上存在多种修饰,其中腺嘌呤N6位甲基化(m6A)修饰是哺乳动物中丰度最高、分布最广的RNA修饰。研究发现m6A修饰在mRNA的编码区和3’ -UTR区域富集,参与多种生理及病理过程的调控。RNAm6A修饰依赖由多个蛋白成员组成的m6A甲基化酶复合物(m6A writer complex),其中由MT-A70家族蛋白METTL3METTL14形成异源二聚体组成的催化亚基被称作m6A-METTL复合物(m6A-METTL complex, 简称MAC);而WTAPVIRMAKIAA1942)、ZC3H13HAKAI等主要起调控作用,并存在明显的相互作用,它们组成的调控亚基被称作m6A-METTL关联复合物(m6A-METTL associated complex, 简称为MACOM)。缺少MACOM时,MAC只显示相对较低的体外m6A修饰活性,因此MACOMMACm6A甲基化酶活性具有重要的调控作用。虽然组成MAC核心的METTL3/14催化结构域以及METTL3的锌指结构已被解析,但是对于调控复合物MACOM及其成员蛋白,仍缺乏任何结构信息,极大阻碍了对其功能和对催化亚基MAC活性的调控机制研究。

全新解析的MACOM复合物冷冻电镜结构整体形状类似“披戴马鞍的战马”。其中WTAP通过四段α-螺旋卷曲螺旋(coiled-coilH1-H4形成了紧密的同源二聚体,形成类似马鞍的形状。VIRMA则以20ARM-like重复结构单元通过长连接螺旋等形成类似半身马型结构(图1f-g)。WTAP二聚体和VIRMA之间的紧密互作,作为整个m6A甲基化酶复合物调控亚基的刚性骨架。ZC3H13通过C端片段深入结合在VIRMA的中心部分从而锚定在复合物上。为了获得m6A甲基化全酶复合物的结构信息,研究人员进一步解析了4.4ÅMAC-MACOM复合物结构,借助已解析的METTL3/14核心晶体结构和锌指溶液结构,搭建出了MAC-MACOM复合物中两个亚基的相对空间关系(视频1),再通过分析s4U标记的RNA底物与MAC-MACOM复合物的交联质谱结果,获得了RNA底物在MAC-MACOM复合物上的结合位点,提出了可能的m6A甲基化酶复合物修饰RNA底物的作用模型(图2)。



2. MACMACOM复合物的相互作用以及整体的底物结合模式图。a, 在高阈值下的MAC-MACOM复合物电镜密度中放入MACOM复合物的结构,多余密度用虚线圈出。b, 基于电镜密度和生化结果的MAC-MACOM复合物模型,左图为高阈值密度图,右图为低阈值密度图。c, 根据s4U-RNAMAC-MACOM复合物的交联质谱结果提出的m6A甲基化酶复合物与RNA底物的作用模型。


视频1. MAC-MACOM复合物的结构模型。


总之,该研究首次解析了m6A修饰过程中其重要调控作用的MACOM复合物的高分辨冷冻电镜结构和全酶复合物(MAC+MACOM)核心结构模型,并进一步提出了合理的m6A甲基化酶复合物修饰RNA底物的作用模型。由此为开发针对m6A修饰的抑制剂或药物提供了除MAC催化亚基复合物以外的新靶点的结构基础,以实现对RNA m6A修饰相关癌症等人类疾病的潜在治疗目的。

复旦大学生命科学学院的苏世晨博士、中国科学技术大学生命科学与医学部的李珊珊副研究员以及复旦大学生命科学学院的博士生邓婷为本文共同第一作者,复旦大学生命科学学院和遗传工程国家重点实验室麻锦彪教授与中国科学技术大学生命科学与医学部张凯铭研究员为本文的共同通讯作者。浙江大学高分子系的刘建钊团队和国家蛋白质科学中心(上海)的彭超团队也参与了研究工作。中国科学技术大学冷冻电镜中心为数据收集与处理提供了支持,复旦大学生命科学学院和遗传工程国家重点实验室的电镜平台为样品初筛提供了支持。该项研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科大科研启动经费和中科院率先行动引才计划择优经费的资助。


论文链接:https://doi.org/ 10.1038/s41422-022-00725-8