哺乳动物DNA甲基化是一种重要的表观遗传修饰，具有调控基因活性的功能，在胚胎发育及神经系统发育分化中具有重要作用【1-5】。DNA甲基化谱式可以在细胞增殖过程中传承给子代细胞，这主要是得益于维持性DNA甲基化酶1（DNMT1）的存在，它能在DNA复制过程中将母链DNA甲基化谱式拷贝到子链【6】。之前的研究发现DNMT1的杂合突变是伴有痴呆和听力丧失的遗传性感觉和自主神经1E型病变(hereditary sensory and autonomic neuropathy type 1E with dementia and hearing loss, HSAN1E)和常染色体显性小脑共济失调、耳聋和嗜睡症 (autosomal dominant cerebellar ataxia, deafness, and narcolepsy, ADCA-DN)两种神经退行性疾病的病因【7-9】。这两种疾病都表现为常染色体显性遗传，具有成人发病和年龄依赖性进展的特点。到目前为止，所有HSAN1E和ADCA-DN患者中发现的DNMT1突变都位于DNMT1的一个特定结构域（RFTS）中，并且HSAN1E突变位于RFTS 的N端或中间，而ADCA-DN突变位于RFTS 的C端。但这些 DNMT1 RFTS 结构域的突变如何影响体内 DNMT1 功能并因此导致神经退行性疾病产生尚不清楚。

       近日，浙江大学转化医学研究院李学坤教授、华东师范大学翁杰敏教授团队在HSAN1E致病机制方面取得重要进展，研究成果以Mutation-induced DNMT1 cleavage drives neurodegenerative disease为题于2021年9月1日在线发表在Science Advances上【10】。

       在本项研究中，该团队通过构建两个模拟HSAN1E病人常见的突变位点的Dnmt1突变小鼠模型（Y500C突变的M1突变小鼠和P496Y突变M2突变小鼠，分别相当于在人类患者中发现的Y495C突变和D490E-P491Y突变），发现杂合子突变小鼠表现出神经退行的症状，纯合子突变小鼠胚胎致死。分子机制方面，通过对小鼠组织及小鼠胚胎干（ES）细胞、胚胎成纤维（MEF）细胞、成体神经干细胞（aNSCs）等细胞的检测发现突变的DNMT1蛋白不稳定，但不是通过蛋白酶体或者溶酶体途径，而是由于被一种尚未鉴定的特异蛋白酶所裂解，并且其裂解产物在核仁形成蛋白质聚集体。

       为了研究突变对人源DNMT1蛋白的影响，该团队通过单碱基编辑技术在两类不同的人源细胞系中构建了DNMT1 Y495C 点突变的细胞。进一步研究表明突变的 DNMT1 在没有表达特异蛋白酶的HeLa细胞中，其蛋白质是稳定的，细胞定位以及酶活性与野生型 DNMT1 相比没有明显的改变。但在具有特异蛋白酶表达的人神经胶质细胞中，突变DNMT1被裂解，导致DNMT1裂解产物在核仁聚集，DNA甲基化异常、细胞增殖受到阻抑并发生凋亡。这些研究结果表明RFTS 突变引起的 DNMT1 降解，而不是突变本身，导致DNMT1 突变体功能的缺陷。基于上述两种神经退行性疾病病人中均只发现RFTS区域的错义突变（missense mutation）而没有发现存在该区域及其它区域的无义突变（nonsense mutation）的病人, 作者提出造成上述神经退行性疾病的原因一方面是突变DNMT1蛋白的特异剪切导致其DNA甲基化活性的缺陷，另一方面是其相应截短体的异常核仁局部定位干扰了细胞核仁的正常功能（如核糖体RNA转录），最终可能导致一些神经细胞发育分化的缺陷与凋亡，从而导致相关的神经退行性疾病。

       该论文的通讯作者是华东师范大学翁杰敏教授、浙江大学转化医学研究院李学坤教授。第一作者为华东师范大学王文偲博士、浙江大学赵性森博士，该项工作得到华东师范大学李大力教授、中国科学院生物物理研究所朱冰教授等的大力帮助。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abe8511

参考文献

1. R. Jaenisch, A. Bird, Epigenetic regulation of gene expression: how the genome integrates intrinsic and environmental signals. Nat. Genet. 33, 245-254 (2003).2. P. A. Jones, Functions of DNA methylation: islands, start sites, gene bodies and beyond. Nat. Rev. Genet. 13, 484-492 (2012).3. J. A. Law, S. E. Jacobsen, Establishing, maintaining and modifying DNA methylation patterns in plants and animals. Nat. Rev. Genet. 11, 204-220 (2010).4. D. K. Ma, M. C. Marchetto, J. U. Guo, G.-l. Ming, F. H. Gage, H. Song, Epigenetic choreographers of neurogenesis in the adult mammalian brain. Nat. Neurosci. 13, 1338-1344 (2010).5. G. Fan, C. Beard, R. Z. Chen, G. Csankovszki, Y. Sun, M. Siniaia, D. Biniszkiewicz, B. Bates, P. P. Lee, R. Kühn, A. Trumpp, C.-S. Poon, C. B. Wilson, R. Jaenisch, DNA hypomethylation perturbs the function and survival of CNS neurons in postnatal animals. J. Neurosci. 21, 788 (2001).6. P. A. Jones, G. Liang, Rethinking how DNA methylation patterns are maintained. Nat. Rev. Genet. 10, 805-811 (2009).7. C. J. Klein, M. V. Botuyan, et al., Mutations in DNMT1 cause hereditary sensory neuropathy with dementia and hearing loss. Nat. Genet. 43, 595–600 (2011).8. Z. Sun, Y. Wu, et al., Aberrant signature methylome by DNMT1 hot spot mutation in hereditary sensory and autonomic neuropathy 1E. Epigenetics 9, 1184–1193 (2014).9. J. Baets, X. Duan, et al., Defects of mutant DNMT1 are linked to a spectrum of neurological disorders. Brain 138, 845–861 (2015).10. W. Wang, X. Zhao, Y. Shao, X. Duan, Y. Wang, J. Li, J. Li, D. Li, X. Li and J. Wong. Mutation-induced DNMT1 cleavage drives neurodegenerative disease. Science Advances. 7, DOI: 10.1126/sciadv.abe8511 (2021).