哺乳动物DNA甲基化发生在胞嘧啶第五位碳原子上，称为5-甲基胞嘧啶，是重要的表观遗传修饰，调控基因转录，基因组印记，表观遗传等多种生物学过程，在发育过程中起关键作用。哺乳动物基因组的DNA甲基化主要发生在CpG二核苷酸。其建立是由DNMT3A/3B在胚胎发育早期完成的，而甲基化模式的维持是有DNMT1和UHRF1实现的。TET蛋白能够氧化5-甲基胞嘧啶成为5-羟甲基胞嘧啶，5-醛基胞嘧啶，5-羧基胞嘧啶，在DNA去甲基化过程中起关键作用。我们课题组集中研究了上述蛋白质的催化，底物识别和酶活性调节的分子机制，并设计小分子调节剂用于研究，开展用于临床的药物开发。

组蛋白和DNA甲基化存在相互调控。我们发现DNMT3A存在自我抑制状态，而这种抑制可以被组蛋白H3所解除。我们解析抑制态（左侧）和激活态（中间），两种状态的晶体结构，并开展生化研究 （Nature，2015a）。发现DNMT3A的ADD结构域结合催化结构域（CD），通过抑制CD与DNA底物的结合抑制其活性。组蛋白H3结合ADD结构域，破坏ADD与CD的结合，使CD能够接触底物，进而激活DNMT3A的活性，由此提出DNMT3A自我抑制及其被组蛋白激活的的分子机制模型。这一结果提示DNA甲基化主要发生在有组蛋白H3存在的核小体附近，并很好的支持了以往基因组测序结果，即组蛋白H3K4me3和DNA甲基化负相关。国际同行评价：F1000

哺乳动物TET蛋白在受精卵表观遗传重编程、多能干细胞分化、骨髓造血等关键生命过程中扮演着至关重要的角色，其失活也与多种疾病，尤其是血液肿瘤的发生密切相关。TET 蛋白属于a-酮戊二酸（a-KG）和二价铁离子（Fe2+）依赖的双加氧酶，利用分子氧将5mC氧化为5-羟甲基胞嘧啶(5hmC)，并继续催化5-hmC转化为5-甲酰胞嘧啶（5-fC）和5-羧基胞嘧啶（5-caC）。我们成功制备了TET2蛋白并解析了其与甲基化DNA的复合物结构 (Cell, 2013)。TET2蛋白半胱氨酸富集结构域（Cys-Rich）“缠绕”着羧基端的催化结构域（DSBH），双链DNA位于催化结构域上方。结构分析和生化实验证明TET蛋白特异性识别CpG位点的DNA序列。 5mC通过碱基翻转的机制，被TET2从双链DNA中“撬开”，进而5mC翻出来并插入到催化口袋中，使5mC的甲基指向具有催化活性的二价铁离子（Fe2+）和a-酮戊二酸（a-KG），进而完成5mC的氧化过程。该研究为TET蛋白介导的DNA甲基化动态调控机制提供了新视角，高分辨率TET2-DNA复合物结构的解析，也为靶向TET蛋白激活剂和抑制剂的研究奠定了结构生物学基础。国际同行评价:Faculty of 1000, Nature China, Preview in Cell

我们进一步研究发现，TET蛋白对三种DNA底物有明显的活性差异，就是对5mC的活性很高，而对5hmC，5fC的活性很低。不同TET蛋白，不同蛋白浓度，不同底物长度等情况，都有这样的底物偏好性。酶活动力学实验进一步证明TET蛋白对5mC-DNA活性远远高于5hmC-/5fC-DNA。我们解析了TET2与5hmC-DNA (1.80 Å)，5fC-DNA (1.97 Å) 两种复合物的晶体结构。与TET2-5mC-DNA的晶体结构 (2.02Å)比较分析后发现：三个结构中胞嘧啶几乎处于一样的构象，但羟基，醛基因为受到分子间或分子内氢键作用，在催化中心指向不同方向，导致发生氧化的氢远离催化中心。生化实验表明，消氢作用是限速步骤。动力学模拟表明，在发生氧化反应中，5hmC、5fC在催化中心受到限制，不容易发生消氢作用，因此呈现活性低，而5mC中C-C键可以自由旋转，三个氢原子可以指向催化的最优化方向（Nature, 2015b）。这一研究很好的证明了细胞内5hmC的水平远远高于5fC和5caC，说明5hmC，5fC相对稳定而不容易发生氧化反应。TET蛋白更容易产生5hmC。

DNMT1维持型DNA甲基转移酶，能够将DNA复制产生的半甲基化DNA，转化为全甲基化DNA，以维持基因组DNA甲基化的模式。USP7（去泛素化酶）结合并稳定DNMT1。我们解析了DNMT1-USP7复合物晶体结构，发现DNMT1的KG-linker（KG重复序列）结合到USP7的UBL1-2结构域的酸性表面，对复合物形成至关重要，细胞内实验发现KG-linker中（K1111等赖氨酸）的乙酰化，破坏DNMT1-USP7的结合导，使USP7不能够稳定DNMT1，导致DNMT1降解，进一步研究发现在肿瘤细胞和神经细胞发育过程中，乙酰化KG-Linker与整体DNMT1蛋白水平呈负相关(Nature Communications, 2015)。

UHRF1 是联系DNA甲基化与组蛋白甲基化的关键蛋白。我们发现其PHD结构域特异性识别组蛋白H3的第二位精氨酸（H3R2）(Cell Res, 2021)，其TTD结构域和PHD结构域共同作用，使UHRF1特异性识别组蛋白H3K9me3(JBC, 2013). 进一步研究发现USP7结合并稳定UHRF1，而UHRF1的磷酸化破坏二者结合，使UHRF1降解，揭示了UHRF1蛋白水平随细胞周期动态变化的机制(PNAS, 2012).

UHRF1的TTD结构域与Spacer序列结合，使UHRF1形成一种闭合构象，导致UHRF1对组蛋白 H3K9me3的结合强度很低，且无法招募DNMT1。UHRF1在结合hm-DNA后可由这种闭合构象转变为开放构象，使其恢复对组蛋白H3K9me3 的识别能力，并可与DNMT1相互作用。由此推断UHRF1对DNMT1的招募也受到自身构象变化的调控。该研究工作拓展了对DNA甲基化与组蛋白修饰之 间相互调节的深入理解，为进一步研究DNA甲基化动态调控奠定了基础(Nature Communications, 2016)。

   

组蛋白去甲基化酶LSD2，是第一个被发现的组蛋白去甲基化酶LSD1的唯一同源物，与基因的转录延伸以及一些印记基因的甲基化相关。我们发现LSD2对H3（1-26氨基酸）的结合能力以及酶活性与H3（1-21氨基酸）相比，都比较高。解析了LSD2与H3（1-26）的复合物结构，发现LSD2与底物的结合除了酶活中心外，还有第二个底物识别位点，而LSD1不具有此部分序列，通过体内外结合以及酶活试验证明，第二个结合位点对于LSD2的酶活有重要的作用(Cell Res, 2013)。我们进一步发现NPAC蛋白可以显著提高LSD2的酶活性，解析了LSD2-NPAC-H3复合物的结构，发现NPAC结合LSD2并稳定其与底物H3的结合进而提高酶活性(Mol Cell, 2013, 国际同行评价:Nature China)。

进一步研究发现LSD2具有泛素连接酶活性，可以直接泛素化OGT并促进其降解。LSD2通过其E3连接酶活性抑制癌细胞生长，这一效果不依赖于其组蛋白去甲基化酶活性。因此，LSD2通过组蛋白去甲基化酶和E3连接酶活性调节不同的基因和细胞功能(Mol Cell，2015，国际同行评价:Science Signaling)。