NSMB | 徐廷海课题组首次揭示细胞发育DNA甲基化的分子机制：DNA甲基转移酶如何精准“阅读”染色质

摘要：DNA甲基化是表观遗传学的重要组成部分，对于胚胎发育、基因表达调控、细胞命运决定及多种疾病的发生发展具有关键作用。然而，DNA甲基转移酶（DNMT）如何在密集且动态的染色质环境中精准定位和识别核小体底物并完成甲基化修饰，一直是生命科学领域的重要未解之谜。

DNA甲基化是表观遗传学的重要组成部分，对于胚胎发育、基因表达调控、细胞命运决定及多种疾病的发生发展具有关键作用。然而，DNA甲基转移酶（DNMT）如何在密集且动态的染色质环境中精准定位和识别核小体底物并完成甲基化修饰，一直是生命科学领域的重要未解之谜。

2025年10月31日，美国圣路易斯大学徐廷海课题组在Nature Structural & Molecular Biology在线发表了题为Mechanisms of DNMT3A-3L-mediatedde novoDNA methylation on chromatin的重要研究成果（第一作者闫焱博士）。该研究利用高分辨率冷冻电子显微镜（cryo-EM）解析了全长DNMT3A2-3L复合物在核小体结合和游离状态下的结构，揭示了这套分子机器的动态操作方式，为理解DNA甲基化表观遗传调控提供了全新的视角。

DNMT3A2-3L介导的染色质de novo DNA甲基化机制模型

DNMT3A-3L：de novo DNA甲基化的关键执行者。在哺乳动物中，de novo DNA甲基化主要由DNMT3A和DNMT3B执行，它们的非催化同源蛋白DNMT3L和DNMT3B3则负责协助完成复合体组装、定位以及活性的调控。DNMT3L主要在胚胎干细胞表达并参与建立早期发育过程中DNA甲基化图谱；当细胞分化后，DNMT3L被沉默，其功能由DNMT3B3替代。尽管徐廷海等人先前已获得DNMT3A2-3B3与核小体复合体的结构信息，但DNMT3L如何帮助DNMT3A识别染色质并调控DNA甲基化的具体机制一直不清楚。

DNMT3L如何“读取”组蛋白信号。徐廷海课题组聚焦DNA甲基化、组蛋白修饰与染色质重塑三者之间的协同调控及其在疾病发生中的作用机制。此次研究中，团队通过冷冻电镜技术解析了DNMT3A2-3L与核小体结合的高分辨率结构，发现DNMT3L在复合物识别染色质过程中扮演“组蛋白修饰传感器”的角色。

结构显示，DNMT3L的一个关键α螺旋结构 - “Switching Helix” - 相较于其同源蛋白DNMT3B3旋转了180°，从而阻止其与核小体表面由H2A/H2B二聚体形成的酸性表面区域（acidic patch）直接相互作用。取而代之，DNMT3L通过自身的ADD结构域帮助识别组蛋白尾部的修饰状态，引导DNMT3A精确地定位到合适的DNA区域。这种结合机制不同于DNMT3B3依赖于核小体酸性表面区域的方式，因此DNMT3A-3L可感应H3K4和H3K36甲基化等核小体修饰状态。与此同时，研究还发现，当核小体缺乏如H3K36甲基化修饰时，DNMT3A的PWWP结构域与核小体的结合显著减弱，揭示了DNA甲基化酶对组蛋白修饰的依赖性，这是维持染色质状态特异性的重要分子基础之一。

a. DNMT3A2-3L复合物cryo-EM电子密度图；b. DNMT3L和DNMT3B3与核小体核心区域相互作用；c. His标记的DNMT3A2-3L复合物与生物素标记的核小体颗粒（NCPs）之间的AlphaScreen相互作用检测。

动态组装：从自由复合体到染色质上的精准定位。在未与核小体结合的状态下，DNMT3A2-3L复合体呈现出异源多聚化形式，具有高度的可变性与灵活性。这一独特的多聚排列方式赋予了DNMT3A2-3L复合物动态组装的能力，并可能实现变构调控。这种动态组装可能提高DNMT3A2-3L在局部的有效浓度或改变其与染色质的结合模式。值得注意的是，DNMT3A2在多种癌症中显著上调，这一机制因此具有潜在的病理相关性。该研究还捕捉到DNMT3A2-3L在核小体表面进行“搜索”的动态行为，表明DNA甲基化并非固定的化学反应，而是一个经过严格控的“扫描-识别-催化”动态过程。这一发现改变了人们对DNA甲基化酶在染色质上工作方式的传统认知。

从结构到机制：揭开DNA甲基化调控的新篇章。这项研究发现首次从结构层面揭示了DNMT3A-3L如何通过复合物装配、组蛋白修饰感应、动态DNA搜索以及核小体结合调控实现de novo DNA甲基化，从而在胚胎早期发育中建立特定的甲基化图谱。该成果不仅揭示了DNA甲基化的精细分子机制，也为理解染色质可塑性与疾病相关表观遗传异常提供了新的理论基础。

异常DNA甲基化与多种疾病紧密相关，包括癌症、神经发育障碍、代谢疾病。该研究为理解这些疾病的分子基础提供了重要的结构依据。随着越来越多染色质相关的复合物结构的解析，科学家们将更系统的理解基因调控的空间逻辑 – 那将是一场由DNA、蛋白质、化学修饰共同演绎的精密“分子交响乐”。这些工作不经深化了我们对生命基本过程的理解，也为开发新一代表观遗传靶向治疗策略提供了坚实的分子基础。

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