9月14日，国际学术期刊Molecular Cell在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）陈勇研究组、华东理工大学全舒研究组、中国科学院大连化学物理研究所李国辉研究组、上海国家蛋白质科学中心刘志军博士和彭超博士合作的文章：“Structural basis for product specificities of MLL family methyltransferases”。该研究揭示了MLL家族蛋白具有不同产物特异性的分子机制。
赖氨酸甲基转移酶催化底物发生甲基化是一类经典的多步催化反应，不同的赖氨酸甲基转移酶可以催化底物发生单、双、三甲基化。同一位点不同程度的甲基化状态一般被认为可以作为不同的化学修饰标记，发挥不同的生物学功能。其中最典型的例子是组蛋白H3K4的单、双、三甲基化。在哺乳动物体内，H3K4的三甲基化（H3K4me3）通常分布在转录起始位点（TSS）附近，和转录激活息息相关；H3K4的单甲基化（H3K4me1）则通常位于增强子区域，作为增强子的典型标记。
H3K4甲基化在体内主要是由MLL家族甲基转移酶催化的。在哺乳动物中，有6个具有甲基转移酶活性的MLL家族蛋白成员，包括MLL1，MLL2，MLL3，MLL4，SET1A和SET1B。尽管都源于酵母中相同的祖先Set1，但MLL家族蛋白在细胞的命运决定中发挥着非冗余的重要功能，这可能和它们具有不同的产物特异性相关。但如何准确界定不同MLL蛋白的产物特异性，仍缺乏一个可靠的判断标准。催化口袋高度类似的MLL家族蛋白为何呈现不同的产物特异性，其背后的分子机制一直是领域内悬而未决的问题。
陈勇研究组长期从事MLL家族蛋白的结构和功能研究，在过去的工作中系统地揭示了MLL家族蛋白介导的组蛋白甲基化修饰建立和调控的分子机制（Nature 2016；NAR 2019；Structure 2019；JBC 2021；iScience 2022）。在这项最新发表的工作中，研究人员首先建立了三种测活方法（Methyl-Quant WB，Methyl-Quant LC–MS/MS和Methyl-Quant MALDI-TOF MS），用来表征MLL复合物催化单、双、三甲基化反应的动力学差异。通过比较不同MLL复合物催化底物发生单、双、三甲基化的速率常数k1，k2，k3及各级反应速率之间的差距，研究人员将MLL1/2定义为非连续的双甲基转移酶，MLL3/4定义为单甲基转移酶，而SET1A/B是非连续的三甲基转移酶。利用这些测活系统，研究人员进一步发现产物特异性主要由最小的MLL-RBBP5-ASH2L三元复合物决定，其他的亚基如DPY30等主要影响酶活速率而不影响产物特异性。
为了进一步探讨产物特异性的分子机制，研究人员综合利用X-射线晶体学，19F-NMR和分子动力学计算模拟表征了MLL家族蛋白活性口袋关键酪氨酸残基的空间构象和动态性变化。他们发现，不同MLL家族蛋白中的关键酪氨酸残基的构象基本一致，但是却表现出了不一样的动态性。对于第一个关键酪氨酸残基（Y1），动态性SET1B＞MLL1＞MLL3，所以SET1B和MLL1可以克服Y1的空间位阻，利于发生H3K4me1到H3K4me2的过程，而MLL3中的Y1相对固定不利于二甲基化反应的进行。对于第二个关键酪氨酸残基（Y2），动态性SET1B＞MLL1，所以SET1B更容易克服Y2的空间位阻，利于催化产生H3K4me3。这一分子机制也可以推广到其它的甲基转移酶，比如关键酪氨酸残基的动态性可以用于区分二甲基转移酶GLP和三甲基转移酶DIM5。
综上所述，这项工作提出，在级联反应中，不同步骤之间的速率比（k1/k2和k2/k3），而不是绝对反应速率，是定义组蛋白甲基转移酶产物特异性的定量标准。这项工作揭示了关键氨基酸的动态性在甲基转移酶催化进程中的重要作用，为进一步了解组蛋白甲基化的动态调控机制奠定了基础。
分子细胞卓越中心副研究员黎彦璟（现为华东理工大学特聘研究员），博士研究生赵利杰，大连化学物理研究所副研究员张跃斌，国家蛋白质科学中心质谱系统吴萍为本文共同第一作者，陈勇研究员、全舒教授、刘志军博士、李国辉研究员、彭超博士为本文共同通讯作者。论文也得到了上海交通大学雷鸣教授和中国科学技术大学田长麟教授的大力支持。该研究得到张江实验室国家蛋白质科学研究（上海）设施BL19U1晶体衍射线站、核磁系统、质谱分析系统和规模化蛋白质制备系统的支持和帮助。该研究工作获得中科院战略性先导计划，上海市基础研究特区计划，国家自然科学基金委，国家重点研发计划，中国科协青年人才托举工程，中国博士后科学基金会，张江实验室II期项目，中科院大科学设施维修改造项目等项目的经费资助。
