组蛋白甲基化和去甲基化识别机理的精确计算新方法

Histone is the basic unit of nucleosome in eukaryotes and is under heavy post-transcriptional modifications including methylation, acetylation, ubiquitination, and phosphorylation. These modifications play very important roles in regulations of biological processes in cells such as gene expression and DNA replication/repair. Methylation, as one of the most complicated modifications, is able to act on different sites, different residues (arginine and lysine), and add different number of methyl groups (1, 2, 3). The methylation on histone is a dynamic process: it is specifically written (by methyltransferase), erased (by demethyltransferase), and recognized by different proteins that constitute a complete regulation system. Quantitative characterization of the interactions between these proteins and histone, and the effect of mutation on the protein-protein interaction is the basis of understanding the histone regulation. In this project, we will develop novel free energy calculation methods to quantitatively study the specific interactions between histone and methyltransferase, demethyltransferase, and histone recognition proteins, reveal the mechanism of histone recognition, accurately predict potential disease-causing mutations, design effective methyltransferase peptide inhibitors, and provide a theoretical basis and research orientation for experimental studies.

组蛋白是真核生物中核小体的基本组成单元，在细胞中经历大量的翻译后修饰，包括甲基化、乙酰化、泛素化和磷酸化等。这些修饰是细胞中调控基因表达和DNA复制和修复等生命活动的重要手段。其中甲基化作为最复杂的修饰之一，可以作用在不同的位点，不同的氨基酸(精氨酸和赖氨酸)，并且可以进行不同程度的甲基化(一、二、三甲基化)。组蛋白的甲基化修饰是个动态过程，由不同的特异性蛋白进行写入(甲基化酶)、擦除(去甲基化酶)和读取(甲基化识别蛋白)，构成一套完整的调控体系。定量的刻画这些蛋白之间的相互作用以及突变对相互作用造成的影响，是我们理解组蛋白调控的基础。本项目发展创新的自由能计算方法来定量研究组蛋白和甲基化酶、去甲基化酶以及甲基化识别蛋白之间的特异性相互作用，发现蛋白相互作用的关键热点氨基酸，阐明组蛋白特异性识别的分子机制，精确预测潜在的致病突变，设计高效的多肽抑制剂，为相关的实验研究提供理论依据与指导。

真核生物的组蛋白甲基化是一种重要的表观遗传现象。组蛋白上不同位点的甲基化以及同一位点不同程度的甲基化都可以发挥不同的调控作用。因此研究组蛋白上同一位点不同程度的甲基化对“甲基化的组蛋白-蛋白”结合的影响有着重要意义。本项目从多个方面来研究甲基化组蛋白与其底物之间的相互作用，具体进展如下:首先针对组蛋白甲基化修饰，发展基于相互作用熵 (interaction entropy, IE)的结合自由能计算方法，并在该方法的基础上，利用分子动力学模拟和结合自由能计算，阐明重要组蛋白在不同甲基化状态下与蛋白和小分子底物结合的机理，同时系统地整理了组蛋白结合蛋白和不同甲基化状态组蛋白之间相互作用的实验结果，比较不同结合自由能计算方法在甲基化修饰体系中的准确性。