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Structural insight into autoinhibition and histone H3-induced activation of DNMT3A

组蛋白甲基化 组蛋白甲基转移酶 组蛋白H3 组蛋白 表观遗传学 H3K4me3 生物 表观遗传学 细胞生物学 分子生物学 甲基化 DNA 生物化学 甲基转移酶 DNA甲基化 基因表达 发起人 基因
作者
Xue Guo,Ling Wang,Jie Li,Zhanyu Ding,Jianxiong Xiao,Xiaotong Yin,Shuang He,Pan Shi,Liping Dong,Guohong Li,Changlin Tian,Jiawei Wang,Yao Cong,Yanhui Xu
出处
期刊:Nature [Springer Nature]
卷期号:517 (7536): 640-644 被引量:334
标识
DOI:10.1038/nature13899
摘要

DNA methylation is an important epigenetic modification that is essential for various developmental processes through regulating gene expression, genomic imprinting, and epigenetic inheritance. Mammalian genomic DNA methylation is established during embryogenesis by de novo DNA methyltransferases, DNMT3A and DNMT3B, and the methylation patterns vary with developmental stages and cell types. DNA methyltransferase 3-like protein (DNMT3L) is a catalytically inactive paralogue of DNMT3 enzymes, which stimulates the enzymatic activity of Dnmt3a. Recent studies have established a connection between DNA methylation and histone modifications, and revealed a histone-guided mechanism for the establishment of DNA methylation. The ATRX-DNMT3-DNMT3L (ADD) domain of Dnmt3a recognizes unmethylated histone H3 (H3K4me0). The histone H3 tail stimulates the enzymatic activity of Dnmt3a in vitro, whereas the molecular mechanism remains elusive. Here we show that DNMT3A exists in an autoinhibitory form and that the histone H3 tail stimulates its activity in a DNMT3L-independent manner. We determine the crystal structures of DNMT3A-DNMT3L (autoinhibitory form) and DNMT3A-DNMT3L-H3 (active form) complexes at 3.82 and 2.90 Å resolution, respectively. Structural and biochemical analyses indicate that the ADD domain of DNMT3A interacts with and inhibits enzymatic activity of the catalytic domain (CD) through blocking its DNA-binding affinity. Histone H3 (but not H3K4me3) disrupts ADD-CD interaction, induces a large movement of the ADD domain, and thus releases the autoinhibition of DNMT3A. The finding adds another layer of regulation of DNA methylation to ensure that the enzyme is mainly activated at proper targeting loci when unmethylated H3K4 is present, and strongly supports a negative correlation between H3K4me3 and DNA methylation across the mammalian genome. Our study provides a new insight into an unexpected autoinhibition and histone H3-induced activation of the de novo DNA methyltransferase after its initial genomic positioning.
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