PNAS | 多结构域协同促进DNMT3Aᴿ⁸⁸²ᴴ致病突变体的高阶聚合机制

DNA甲基化是真核生物重要的表观遗传调控机制，在基因表达调控、基因组稳定性和细胞命运决定等过程中发挥关键作用。DNMT3A是哺乳动物重要的从头DNA甲基转移酶，其功能异常与急性髓系白血病（AML）、副神经节瘤（paraganglioma）、骨髓增生异常综合征（myelodysplastic syndromes）、塔顿-布朗-拉曼综合征 (Tatton-Brown-Rahman syndrome) 以及小头畸形侏儒症（microcephalic dwarfism）等多种肿瘤及发育异常密切相关。其中，R882H是DNMT3A最常见的致病热点突变之一。已有研究表明，R882H不仅降低DNMT3A的DNA甲基化活性，还能够促进DNMT3A形成高阶聚合物，并通过显性负效应抑制野生型DNMT3A的功能【1】。然而，包含多个调控结构域的完整DNMT3A如何参与这一异常聚合过程，其 机制 此前尚不清楚。

加州大学河滨分校（University of California, Riverside）宋吉奎（Jikui Song）教授团队长期致力于DNMT3A介导的DNA从头甲基化机制研究，先后揭示了DNMT3A底物识别机制【2】、R882H突变导致DNA甲基化受损的结构基础【3】、R882H突变 增强 MTase结构域 聚合的作用机制【4】， DNMT3A识别含有H2AK119ub修饰的核小体的结构基础【5】， 以及PWWP、ADD等调控结构域对DNMT3A甲基转移酶活性的多层级调控机制【6】。

近日，该团队在Proceedings of the National Academy of Sciences（PNAS）发表题为Multidomain interaction governs the filamentous assembly of the dominant-negative DNMT3A R882H mutant的研究论文。该研究利用单颗粒冷冻电镜技术，解析了包含PWWP、ADD和MTase结构域的全长DNMT3A2(DNMT3A 2型剪接体)野生型及R882H突变体的多聚体组装结构，揭示了多结构域协同调控DNMT3A异常蛋白组装的分子机制。

研究人员首先发现，野生型DNMT3A2能够通过经典的FF和RD界面形成寡聚体，同时PWWP、ADD与MTase结构域之间形成三方自抑制相互作用。该构象不仅限制DNA结合和甲基转移酶活性，同时将PWWP和ADD结构域定位于潜在的分子间相互作用界面，提示DNMT3A的催化调控与蛋白质组装之间存在密切联系。进一步的冷冻电镜结构显示，R882H突变增强了RD界面的分子间相互作用，使DNMT3A亚基更倾向于进行高阶 聚合 ， 导致 DNMT3A R882H 能够形成包括单链甚至双链左旋大型丝状聚合体 。 与此同时，结构分析提示PWWP和ADD介导的自抑制相互作用可以进一步稳定这一聚合状态，揭示了其异常高阶组装结构基础。

分子排阻层析、质量光度计（mass photometry）以及体外酶活实验进一步证实，野生型DNMT3A主要以单体、二聚体、四聚体和六聚体等低阶组装状态存在，而R882H则显著增加了高分子量聚合物的比例。进一步研究发现， RD界面削弱R676K突变能够明显抑制R882H介导的高阶聚合；同时，破坏PWWP–ADD相互作用的R544A/W330A突变进一步增强了这一抑制效应，使R882H更多转变为低阶寡聚状态，并部分恢复R882H突变导致的DNA甲基化活性缺陷。该研究还揭示，DNMT3A R882H 的异常聚合并非由单一突变位点独立驱动，而是由MTase结构域介导的寡聚界面与PWWP、ADD调控结构域共同构成的多结构域调控网络所决定。其中，R882H增强RD界面相互作用，为高阶组装提供主要驱动力；PWWP–ADD自抑制相互作用则进一步促进并稳定丝状聚合。破坏这一多结构域相互作用网络，可以重新调节DNMT3A的组装平衡，并 部分恢复 其DNA甲基化活性。

总体而言，本研究建立了DNMT3A2 及其R882H致病突变体的多结构域协同组装模型，揭示了PWWP和ADD调控结构域在R882H异常高阶聚合中的重要作用。该研究不仅深化了对DNMT3A蛋白组装及R882H显性负效应分子机制的认识，也为理解DNMT3A相关疾病的致病机制以及未来针对R882H异常聚合的干预策略提供了新的结构基础。

加州大学河滨分校陈 鉴 斌博士和陆久维博士为论文共同第一作者，宋吉奎教授为通讯作者。本研究得到了团队研究人员、美国癌症中心、纽约NIH Cryo-EM中心工作人员的支持。

原文链接：https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2609226123

宋吉奎课题组欢迎对表观调控 的分子机理 感兴趣的学生及博士后加入！更多信息请访问实验室网站https://www.songlab.ucr.edu/

制版人：十一

参考文献

1. Russler-Germain, D.A. et al. The R882H DNMT3A mutation associated with AML dominantly inhibits wild-type DNMT3A by blocking its ability to form active tetramers.Cancer Cell25 , 442-454 (2014).

2. Zhang, Z.M. et al. Structural basis for DNMT3A-mediated de novo DNA methylation.Nature554 , 387-391 (2018).

3. Anteneh, H., Fang, J. & Song, J. Structural basis for impairment of DNA methylation by the DNMT3A R882H mutation.Nature communications11 , 2294 (2020).

4. Lu, J. et al. Structure-guided functional suppression of AML-associated DNMT3A hotspot mutations.Nature communications15 , 3111 (2024).

5. Chen, X. et al. Structural basis for the H2AK119ub1-specific DNMT3A-nucleosome interaction.Nature communications15 , 6217 (2024).

6. Lu, J. et al. Structural insight into hierarchical DNMT3A autoinhibition and its dysregulation in disease.Nature communications(2026).

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（*排名不分先后）

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