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组蛋白修饰和DNA甲基化代表了两种不同的表观遗传风貌改变模式,但是两者之间确切的分子联系还不清楚。先前的研究表明,组蛋白H3第4位赖氨酸的三甲基化(H3K4me3)修饰阻断了从头DNA甲基转移酶(de novo DNA methyltransferase)DNMT3A的ADD(ATRX-DNMT3-DNMT3L)结构域和H3的结合,从而保护CpG岛(CGI)区域免受DNA甲基化。然而,H3K4me3修饰和未甲基化CGI在体内的关联性以及组蛋白修饰对从头DNA甲基化酶的潜在作用等一些关键问题仍未解决。在本文中,我们用X-射线晶体学的方法解析了DNMT3A的ADD结构域结合组蛋白H3氨基端多肽复合物的分辨率为2.4?的晶体结构。通过多肽阵列和等温滴定量热法等生化分析,我们发现H3T3/H3T6位的磷酸化是一类新的拮抗DNMT3A结合H3的修饰。根据解析的ADD-H3复合物结构,我们阐明了H3K4me3和H3T3ph/H3T6ph修饰阻断DNMT3A结合H3的分子基础。为了探索这些H3结合限制的生理功能,经过仔细的结构比较和分析,我们将DNMT3A的ADD结构域分别改造成了一个可以额外地结合H3K4me3或H3T3ph修饰的突变型结构域。我们用等温滴定量热法定量地比较了突变型和野生型蛋白结合不同修饰的H3的亲和力,并解析了突变型ADD结构域结合对应多肽复合物的晶体结构,证明突变型的ADD可以有效结合H3K4me3或H3T3ph修饰。和David Allis实验室合作,我们在小鼠Dnmt1-Dnmt3a-Dnmt3b三敲除的胚胎干细胞系中研究这些突变体对DNA甲基化分布的改变及其生物学功能。能容忍H3K4me3修饰的突变型Dnmt3a2能结合到一类标记着H3K4me3修饰的CGI区域并引发了靶位点上适度的异位DNA甲基化,导致干细胞种系分化的缺陷。能容忍H3T3ph修饰的突变型Dnmt3a2能结合到部分有丝分裂中期染色体的着丝粒区域,导致了染色体的不稳定。以上实验结果表明,H3上的组蛋白修饰在体内引导DNA甲基化发生过程中的根本性作用,彰显了ADD识别位点特异性组蛋白修饰对Dnmt3a建立生理功能相关的表观遗传风貌的重要性。