易基因：Nat Commun/IF18.1：四川大学邓东团队WGBS揭示血液肿瘤与胚胎发育的DNA甲基化重编程机制

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近日，四川大学生物治疗全国重点实验室刘卿婷博士、李金虹博士等为第一作者，四川大学邓东教授、中科院动物所李磊研究员和广州医科大学附属第三医院高征助理研究员为共同通讯作者，在《Nature Communications》期刊发表题为“Molecular basis for the inhibition of de novo DNA methylation by TCL1A”的高水平论文。研究通过结构生物学、生物化学、细胞生物学以及全基因组甲基化测序（WGBS）技术，系统揭示了癌蛋白TCL1A抑制de novo DNA甲基转移酶DNMT3A/B活性的分子机制。

英文标题：Molecular basis for the inhibition of de novo DNA methylation by TCL1A

译文标题：TCL1A抑制de novo DNA甲基化的分子机制

发表时间：2026年3月5日

发表期刊：Nature Communications

影响因子：IF18.1/Q1

技术平台：WGBS等（易基因金牌技术）

作者单位：四川大学生物治疗全国重点实验室、中科院动物所、广州医科大学附属第三医院

DNA甲基转移酶DNMT3A/B介导de novo DNA甲基化，对胚胎发育和细胞命运决定至关重要。DNMT3A/B失调可导致发育障碍和肿瘤发生。TCL1A蛋白在胚胎发生中发挥关键作用，但其异常表达会促进淋巴瘤发生。先前研究提示TCL1A能结合DNMT3A/B并抑制其活性，但具体机制尚不明确。本研究通过冷冻电镜（cryo-EM）技术解析了DNMT3A-TCL1A复合体的高分辨率结构，发现TCL1A二聚体与DNMT3A催化域互作，其结合位点与DNMT3L的结合位点重叠，并诱导广泛的构象重排，导致靶标识别域（TRD）和催化环发生显著位移，降低了DNA的可及性。同时催化环占位SAM结合口袋，从而阻断SAM和DNA结合，抑制甲基转移酶活性。研究通过结合生化实验、分子动力学（MD）模拟和全基因组亚硫酸盐测序（WGBS）技术，证实TCL1A作为DNMT3A/3B的变构抑制剂，在生理和病理条件下调控DNA甲基化模式，为理解早期胚胎发育和血液肿瘤发生中的表观遗传调控提供重要的结构基础和分子机制。

研究方法

（1）蛋白表达与纯化：过表达DNMT3A、DNMT3B、DNMT3L和TCL1A蛋白，纯化获取复合体

（2）生化互作实验：Co-IP验证TCL1A与DNMT3A/B互作、Pull-down实验、邻近连接分析（PLA）

（3）甲基转移酶活性检测：通过量化SAH产生的发光信号来测定甲基转移酶活性。

（4）等温滴定量热法（ITC）：测定DNMT3A与H3肽段、DNA双链和SAM的结合亲和力（Kd值）。

（5）冷冻电镜结构与模型构建

• 样品制备：新鲜纯化的DNMT3A-TCL1A复合体（含PWWP和ADD结构域）制样。
• 冷冻电镜（Cryo-EM）：300 kV Titan Krios电镜收集数据，获得3.36 Å分辨率图谱。
• 模型构建与优化：AlphaFold2预测DNMT3A和TCL1A的初始模型，COOT手动调整，PHENIX实空间精修，最终获得结构坐标（PDB: 9LQ1）。

（6）分子动力学（MD）模拟：构建DNMT3A-apo1、DNMT3A-apo2、DNMT3A-DNMT3L二聚体和DNMT3A-TCL1A三聚体四个系统，进行RMSD、RMSF和接触图谱分析，计算SAM结合口袋体积。

（7）全基因组DNA甲基化测序分析（WGBS）

• 细胞系构建：在小鼠胚胎干细胞系（mESCs） 中过表达DD-Flag-TCL1A（野生型或W19A-M75A突变型），并诱导分化为形成性多能干细胞（fPSCs）。
• WGBS：分析CpG甲基化率，对CpG岛、外显子、内含子、基因间区、重复序列和启动子等区域进行分析。

结果图形

（1）TCL1A在体外抑制DNMT3A和DNMT3B活性

研究首先通过细胞实验验证了TCL1A与DNMT3A/B的互作。在HCT116细胞中的Co-IP实验表明，外源过表达TCL1A能结合内源性DNMT3A和DNMT3B；在Daudi细胞（B细胞淋巴瘤细胞系）中也验证了其内源性互作（图1b）。进一步结构域定位分析确定DNMT3A/B催化结构域（CD）是与TCL1A互作的直接区域（图1c）。为探究结合后的功能，研究人员重构了DNMT3A^CD-TCL1A和DNMT3B^CD-TCL1A复合体，并进行MTase活性检测评估TCL1A对DNMT3催化活性的影响，揭示了TCL1A是DNMT3A/B的强效抑制蛋白。

图1：TCL1A在体外抑制DNMT3A和DNMT3B的活性

（2）DNMT3A-TCL1A复合体的整体结构

为从结构层面阐明抑制机制，研究人员解析了包含PWWP和ADD结构域的DNMT3A^T1-TCL1A复合体的冷冻电镜结构。该结构显示，DNMT3A-TCL1A复合体整体结构呈线性排列，由位于中心的DNMT3A二聚体以及结合在其两侧的两个TCL1A二聚体组成（图2b-c），其组装模式与DNMT3A-DNMT3L和DNMT3A-DNMT3B复合体类似。

此外，结构中还观察到DNMT3A的ADD结构域与CD结构域直接接触，形成一种自抑制构象，表明TCL1A结合可能锁定了DNMT3A的自抑制状态。然而体外结合实验表明，这种结构变化并不影响DNMT3A与组蛋白H3K4me0肽段的结合能力。

图2：DNMT3A^T1-TCL1A复合体的重构与结构分析

（3）TCL1A通过变构调控抑制DNMT3甲基转移酶活性

研究通过将DNMT3A-TCL1A结构与已发表的处于不同功能状态（如DNA结合态、自由态）的DNMT3A结构进行比对，揭示了TCL1A的变构调控机制。

图3：DNA结合状态下的DNMT3A与DNMT3A-TCL1A复合体的结构比较

（4）分子动力学模拟揭示DNMT3A的变构激活与抑制机制

为深入理解激活剂（DNMT3L）和抑制剂（TCL1A）对DNMT3A调控效应的分子基础，研究团队构建了四个MD模拟系统：DNMT3A-DNMT3L二聚体、DNMT3A-apo1（活性构象单体）、DNMT3A-TCL1A三聚体和DNMT3A-apo2（抑制构象单体）。

对DNMT3A-DNMT3L的模拟显示，蛋白间界面紧密结合，Catalytic loop维持在一个活性构象，稳定地准备与DNA结合，形成一个体积较大的SAM结合口袋（图4a-b）。

对DNMT3A-TCL1A的模拟显示，催化环表现出极高的灵活性，不断在TCL1A的C末端尾巴和DNMT3A的TRD loop之间切换接触，这种动态变化导致催化环始终占位并堵住SAM结合位点，导致SAM结合位点体积显著缩小（图4c-e）。上述结果表明TCL1A通过一种“动态抑制”机制发挥作用，即通过诱导DNMT3A构象可塑性，使其催化环不断处于封闭SAM结合位点状态。

图4：DNMT3A的分子动力学模拟

（5）过表达人源TCL1A在小鼠naive ES分化过程中的DNA甲基化模式变化

为验证TCL1A在生理/病理条件下的功能，研究团队利用小鼠胚胎干细胞（mESCs）向形成态多能干细胞（fPSCs）分化的经典模型，该过程伴随着全基因组DNA甲基化水平的显著升高（从10-20%到70-80%），部分模拟了植入后胚胎的de novo DNA甲基化过程。研究构建了可诱导过表达野生型或突变型（W19A-M75A，结合缺失突变体）TCL1A的mESC系，并将其诱导分化为fPSC。邻近连接分析（PLA）证实TCL1A与DNMT3在细胞核内互作（图5a），Co-IP进一步证实野生型TCL1A与内源性DNMT3a/b互作，而突变体结合受损（图 5b）。

WGBS分析结果（图5c-d）显示：对照mESC分化后，fPSC的甲基化水平正常升至约75%。而过表达野生型TCL1A的fPSC（fPSC-TCL1A）完全未能获得高甲基化状态，整体甲基化水平仅为25%-50%，这与DNMT3a/b双敲除的fPSC（fPSC-DKO）的表型高度相似（~20%）。然而，过表达结合缺失型TCL1A（fPSC-DM_TCL1A）的fPSC则维持正常的75%甲基化水平。这些结果表明细胞内TCL1A通过抑制DNMT3a/3b活性抑制了de novo DNA甲基化的重编程。

从基因组区域分析，fPSC-TCL1A与fPSC-DKO类似，表现出更多的低甲基化区域（＜10%甲基化率）和更少的高甲基化区域（＞50%甲基化率）（图5d）。具体而言，在CpG岛（CGIs）、基因体（外显子、内含子）、基因间区、重复元件和启动子等全基因组不同功能区域，fPSC-TCL1A的甲基化水平均显著下降，与fPSC-DKO相似；而fPSC-DMTCL1A和对照fPSC则呈现整体高甲基化（图5e-j）。所有结果一致表明，细胞内TCL1A通过直接与DNMT3a/b结合并抑制其活性，进而阻断分化过程中全基因组范围的DNA甲基化重编程。

图5：小鼠ES细胞中过表达TCL1A破坏了向fPSCs分化过程中的全基因组DNA甲基化重编程

结论和启示

本研究通过结构生物学、生物化学、细胞生物学以及全基因组甲基化测序（WGBS）技术分析，揭示了TCL1A通过直接与DNMT3A的催化结构域结合，诱导其发生变构构象变化，催化环翻转占据SAM结合位点，同时导致二聚体结构延展，最终阻断DNMT3A催化的DNA甲基化活性。这一机制在体外和小鼠胚胎干细胞分化过程中均得到了充分的验证。

WGBS在本研究中的重要作用

全基因组DNA甲基化测序（WGBS）不仅从整体角度证实了TCL1A的抑制作用（图5c-d），还从基因组功能区域（CpG岛、启动子、重复序列等）描述了TCL1A对甲基化重编程的功能作用（图5e-j），为结构生物学和细胞生物学发现提供了体内功能证据。

易基因DNA甲基化整体研究方案

DNA甲基化是一种表观遗传修饰，指DNA分子在DNA甲基转移酶的作用下将甲基选择性地添加到特定碱基上的过程。主要发生在胞嘧啶的CpG位点，也可以在非CpG位点和CpG岛中发生。DNA甲基化参与调控基因表达、X染色体失活、基因印记、胚胎发育、细胞分化、肿瘤发生以及维持基因组稳定性。

易基因DNA甲基化研究技术优势

易基因提供全面的表观基因组学（DNA甲基化、DNA羟甲基化、cfDNA）和表观转录组学（m⁶A、m⁵C、m¹A、m⁷G、ac⁴C、RNA与蛋白互作）、DNA与蛋白互作及染色质开放性技术方案（ChIP-seq、ATAC-seq）：0755-28317900 / 18124167839。

参考文献：

Liu Q, Li J, Wang X, Li Y, Wu Y, Han Z, Guo Z, Guo L, Wang X, Yuan G, Gao Z, Li L, Deng D. Molecular basis for the inhibition of de novo DNA methylation by TCL1A. Nat Commun. 2026 Mar 5;17(1) doi: 10.1038/s41467-025-67710-8.