供稿：郭霞，武汉大学
校稿：顾淑怡，武汉大学
推送：顾淑怡，武汉大学
今天给大家分享的文献发表在Nature Communications上，标题为Distinguishing preferences of human APOBEC3A and APOBEC3B for cytosines in hairpin loops, and reflection of these preferences in APOBEC-signature cancer genome mutations，通讯作者为美国韦恩州立大学化学系的Ashok S. Bhagwat教授。
APOBEC3酶将单链DNA中的胞嘧啶转化为尿嘧啶来限制病毒生长和反转录转位，但它们也可能导致人类基因组突变。几种不同类型的人类肿瘤中含有APOBEC特征突变，它们有助于肿瘤基因组的进化，并帮助肿瘤避免抗癌治疗。特别是该亚家族的两个成员APOBEC3A（A3A）和APOBEC3B（A3B）与引起肿瘤突变有关。因此，阐明它们对核苷酸序列和核酸二级结构的偏好对于理解它们的生物学作用至关重要。
本文开发了一种尿嘧啶下拉测序（UPD-seq）方法来显示尿嘧啶在基因组（尿嘧啶组）中的分布。在大肠杆菌UNG-菌株中表达AID/APOBEC家族中的一种酶后，提取基因组DNA并将脱氧尿苷转化为碱基位点。碱基位点与一种含有可分离生物素的化学物质反应。用链霉亲和素珠下拉标记的DNA片段，然后从珠上释放出来，对其进行测序，并将其定位到细菌基因组。本文将UPD-seq策略应用于A3A和人类激活诱导脱氨酶（AID）。
1 大肠杆菌A3B-full和A3B-CTD的尿嘧啶组与A3A尿嘧啶组相似
利用UPD-seq在多个独立样本中测定了由全长A3B（A3B-full）和A3B的羧基末端结构域（A3B-CTD）产生的尿嘧啶组，并对结果进行了分析，以确定影响尿嘧啶积累的生化、结构和核苷酸序列特征的类型。分析发现，三个独立的A3B-CTD样品中共有的14个峰与A3B-full样品中共有的峰重叠（图1A）。尽管A3B-full在大肠杆菌中的活性高于A3B-CTD，但两种酶似乎都靶向基因组的相似特征，其中包括对tRNA基因，转录起始位点（TSS）和滞后链模板（LGST）的高度偏好（图1B）。
图1 A3B在大肠杆菌中的尿嘧啶化特性
2 和A3A一样，A3B偏好发夹环中的胞嘧啶
本文发现A3B-CTD和A3B-full都强烈偏好大肠杆菌基因组中发夹环中的胞嘧啶（图2）。在分析A3A、A3B-CTD和A3B-full尿嘧啶组时，标准化尿嘧啶指数（UI）是衡量特定胞嘧啶转化为尿嘧啶频率的指标，发夹环中的胞嘧啶比非发夹DNA中的胞嘧啶高6至9倍（图2A）。UI随着发夹茎强度的增加而增加，这表明稳定发夹环中的胞嘧啶比不稳定发夹或非发夹环中的胞嘧啶更有可能成为这些酶的靶标（图2B）。当不同的UPD-seq数据集相互比较针对发夹环的相似性时，每种酶的数据集与自身具有最高的相关性，A3B-full和A3B-CTD数据也有很高的相关性（图2C）。这些数据表明，A3A和A3B的目标发夹具有相似但不相同的环大小和序列。
A3B-CTD和A3B-full既靶向大小和序列相似的环，也最频繁地靶向3、4和5个核苷酸的环的3'端脱氨胞嘧啶（图2D），并且它们对环序列有相似的偏好（图2E）。相比之下，A3A更偏向于3个核苷酸的环，而A3B-CTD和A3B-full更倾向于4个核苷酸环（图2D）。此外，A3A和A3B在3、4或5 nt环序列上的UI之间存在较低的相关性（图2F）。
图2 发夹环中A3A和A3B对胞嘧啶的偏好
为了了解被这三种酶脱氨的胞嘧啶的序列背景，本文使用了河流图。A3A和A3B都表现出-1位置对胸腺嘧啶（0位置为脱氨的胞嘧啶）的偏好，而对其他位置的碱基的偏好较弱（图3A）。当只考虑发夹环时，−1位置对胸腺嘧啶的偏好变得更加强烈，鸟嘌呤是发夹结构中+1位置的首选碱基（图3B）。而−2位置偏好的程度因环的大小和位置的不同而不同（图3C，3D）。与先前基于酵母突变研究的观察结果一致，A3A对于−2位置偏向于嘧啶，而A3B对于−2位置偏向于嘌呤。
图3 脱氨胞嘧啶的序列背景
3 A3B-CTD对发夹环胞嘧啶的脱氨活性
为了确定发夹环中的胞嘧啶是否比线性底物更适合A3B，作者比较了纯化的A3B-CTD在含有GTT.C.基序的线性底物和几个环上带有TT.C.的发夹结构底物上的活性（图4A）。与其他四个发夹（包括含有TTT.C.的发夹）底物相比，带有GTT.C.的发夹环作为底物活性更差（图4B）。A3B-CTD对于GTT.C.序列，发夹结构比线性结构作为底物活性更好（图4C）。相对于A3B-CTD，GTT.C.对A3A是更好的底物序列（图4D）。对于三核苷酸环，A3B-CTD对AT.C.序列活性最高，对TT.C.序列活性最低。同样地，TCAT.C.是A3B-CTD的最佳五核苷酸底物，A3B-CTD对TTTT.C.的活性最低（图4E）。
图4 A3A和A3B-CTD对不同发夹环的生化活性
4 肿瘤基因组环突变具有比A3B更强的A3A特征
作者检查了来自癌症基因组图谱（TCGA）和国际癌症基因组联盟的泛癌症全基因组分析（PCAWG）项目的人类肿瘤全基因组序列数据集，以确定A3A和A3B对不同发夹环大小和位置的偏好是否在肿瘤突变中可检测到。A3A和A3B都对茎杆长度有很强的依赖性（图5A，左图）。A3A偏好于3 nt环，A3B偏好于4 nt环，A3A表现出对5 nt环中4位胞嘧啶的偏好（图5B，左图）。同样地，图5A和5B的右图数据表明A3A-most肿瘤反映了酶对茎强度、环大小和胞嘧啶位置的内在偏好。
5利用A3A和A3B发夹特征分析人类肿瘤突变
COSMIC突变特征2和13无法区分A3A和A3B的活性，作者额外创建了两个特征HS1和HS2，分别反映了A3A和A3B的环大小和胞嘧啶位置偏好。作者将这些特征应用于来自TCGA和PCAWG数据集的人类肿瘤突变，为每个肿瘤分配HS1和HS2系数（图5C）。APOBEC特征突变百分比高的肿瘤主要含有A3A特征突变（图5D）。
图5 人类肿瘤突变发夹环中的特性
综上所述，本文绘制了大肠杆菌中A3A，A3B或其催化羧基末端结构域（CTD）表达引起的尿嘧啶图谱。对人类肿瘤发夹环突变的重新分析发现了这两种酶的内在特征，其中A3A的贡献更大。
文章编号：435
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-46231-w
原文引用：
Yasha Butt#, Ramin#, Sakhtemani#, Rukshana Mohamad-Ramshan, Michael S. Lawrence and Ashok S. Bhagwat*. Distinguishing preferences of human APOBEC3A and APOBEC3B for cytosines in hairpin loops, and reflection of these preferences in APOBEC-signature cancer genome mutations. Nat. Commun., 2024, 15:2369. (#为共同第一作者)
