组蛋白甲基化是一类重要的表观遗传学调控修饰。目前研究较为广泛的组蛋白赖氨酸和精氨酸的甲基化被认为参与到基因的转录,沉默与修复的调控过程,这些过程的异常与多种癌症的诱发或智力发育迟缓等疾病关系密切。相比而言,组蛋白α-N端甲基化修饰的研究直到第一个真核生物N端甲基化转移酶——人源NRMT1鉴定出来之后才有了突破性的进展。与大多数组蛋白甲基化转移酶不同的是,NRMT1的底物既包括组蛋白,也包括非组蛋白,暗示NRMT1在生物体内行使功能的多样性和重要性。尽管如此,对于NRMT1是如何识别底物并进行催化的,人们还不甚了解。我们通过解析NRMT1/CENP-A/SAH的以及NRMT1/DmH2B(果蝇H2B)/SAH两种复合物结构,阐明了NRMT1通过对底物前三个序列花样“Xaa-Pro-Lys/Arg”(Xaa表示为小侧链残基)的选择性来识别并催化底物的分子机理。深入的结构分析揭示NRMT1包含SAM依赖的甲基化转移酶家族的核心结构,并与赖氨酸甲基化转移酶DOT1L以及精氨酸甲基化转移酶PRMT7的核心结构高度相似。甲基供体SAM的结合位点与结合残基高度保守,并发现NRMT1的盖子区域是结合底物的关键结构域。我们基于结构提出了反应过程中甲基转移的动力学模型。生物信息学的分析揭示NRMT1家族成员存在于从低等到高等生物中,两种复合物结构的比对分析证明NRMT1家族成员的高度保守性。体外生化实验验证了结合与催化的重要残基,并揭示NRMT1具有连续性催化酶的特点。进一步细胞功能研究发现CENP-A的α-N端三甲基化修饰对于细胞的正常有丝分裂时必需的,三甲基化修饰的异常会导致微核的形成,进而造成分裂的缺陷。本文还解析了NRMT1同源蛋白NRMT2与CENP-A底物的复合物结构,结构揭示二者在整体结构上具有很大的相似性;体外生化实验证明NRMT2具有分配酶催化的性质,且催化效率远低于NRMT1。本文还通过分析超速离心的方法鉴定NRMT1与NRMT2在溶液中都是以单体的形式发挥催化功能的。本研究第一次在分子水平上阐述组蛋白N端甲基化修饰的催化识别机制,为研究蛋白质N端甲基化转移酶的其他家族成员奠定了基础;另外,本研究的结构分辨率高达1.2(?),为今后面向细胞分化调控的相关药物的前体或工具小分子的开发研制提供了可靠的分子依据。