The prevalent DNA modification in higher organisms is the methylation of cytosine to 5-methylcytosine (5mC), which is partially converted to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC) by the Tet (ten eleven translocation) family of dioxygenases. Despite their importance in epigenetic regulation, it is unclear how these cytosine modifications are reversed. Here, we demonstrate that 5mC and 5hmC in DNA are oxidized to 5-carboxylcytosine (5caC) by Tet dioxygenases in vitro and in cultured cells. 5caC is specifically recognized and excised by thymine-DNA glycosylase (TDG). Depletion of TDG in mouse embyronic stem cells leads to accumulation of 5caC to a readily detectable level. These data suggest that oxidation of 5mC by Tet proteins followed by TDG-mediated base excision of 5caC constitutes a pathway for active DNA demethylation.

The crystal structure of a ternary complex of human immunodeficiency virus type 1 reverse transcriptase (HIV-1 RT) heterodimer (p66/p51), a 19-base/18-base double-stranded DNA template-primer, and a monoclonal antibody Fab fragment has been determined at 3.0 A resolution. The four individual subdomains of RT that make up the polymerase domains of p66 and p51 are named fingers, palm, thumb, and connection [Kohlstaedt, L. A., Wang, J., Friedman, J. M., Rice, P. A. & Steitz, T. A. (1992) Science 256, 1783-1790]. The overall folding of the subdomains is similar in p66 and p51 but the spatial arrangements of the subdomains are dramatically different. The template-primer has A-form and B-form regions separated by a significant bend (40-45 degrees). The most numerous nucleic acid interactions with protein occur primarily along the sugar-phosphate backbone of the DNA and involve amino acid residues of the palm, thumb, and fingers of p66. Highly conserved regions are located in the p66 palm near the polymerase active site. These structural elements, together with two alpha-helices of the thumb of p66, act as a clamp to position the template-primer relative to the polymerase active site. The 3'-hydroxyl of the primer terminus is close to the catalytically essential Asp-110, Asp-185, and Asp-186 residues at the active site and is in a position for nucleophilic attack on the alpha-phosphate of an incoming nucleoside triphosphate. The structure of the HIV-1 RT/DNA/Fab complex should aid our understanding of general mechanisms of nucleic acid polymerization. AIDS therapies may be enhanced by a fuller understanding of drug inhibition and resistance emerging from these studies.

Heterozygous mutations in the gene encoding isocitrate dehydrogenase-1 ( IDH1 ) occur in certain human brain tumors, but their mechanistic role in tumor development is unknown. We have shown that tumor-derived IDH1 mutations impair the enzyme's affinity for its substrate and dominantly inhibit wild-type IDH1 activity through the formation of catalytically inactive heterodimers. Forced expression of mutant IDH1 in cultured cells reduces formation of the enzyme product, α-ketoglutarate (α-KG), and increases the levels of hypoxia-inducible factor subunit HIF-1α, a transcription factor that facilitates tumor growth when oxygen is low and whose stability is regulated by α-KG. The rise in HIF-1α levels was reversible by an α-KG derivative. HIF-1α levels were higher in human gliomas harboring an IDH1 mutation than in tumors without a mutation. Thus, IDH1 appears to function as a tumor suppressor that, when mutationally inactivated, contributes to tumorigenesis in part through induction of the HIF-1 pathway.

Abstract Metabolism is highly interconnected and also has profound effects on other cellular processes. However, the interactions between metabolites and proteins that mediate this connectivity are frequently low affinity and difficult to discover, hampering our understanding of this important area of cellular biochemistry. Therefore, we developed the MIDAS platform, which can identify protein-metabolite interactions with great sensitivity. We analyzed 33 enzymes from central carbon metabolism and identified 830 protein-metabolite interactions that were mostly novel, but also included known regulators, substrates, products and their analogs. We validated previously unknown interactions, including two atomic-resolution structures of novel protein-metabolite complexes. We also found that both ATP and long-chain fatty acyl-CoAs inhibit lactate dehydrogenase A (LDHA), but not LDHB, at physiological concentrations in vitro . Treating cells with long-chain fatty acids caused a loss of pyruvate/lactate interconversion, but only in cells reliant on LDHA. We propose that these regulatory mechanisms are part of the metabolic connectivity that enables survival in an ever-changing nutrient environment, and that MIDAS enables a broader and deeper understanding of that network.

Flexible strain sensors have attracted great attention for their important application potential in soft robot, wearable device, electronic skin, and human–computer interaction, yet there are still challenges such as the loss of service life by external force and produced electronic waste that need to be solved. Herein, a self-healable, degradable, and reprocessable lignin-based polyurethane (LPU) elastomer was synthesized for a flexible strain sensor. Owing to the formation of a cross-linking network by lignin and the reinforcement role of unreacted lignin, the tensile strength and elongation at break of the LPU elastomer reached 2.72 MPa and 712%, respectively. The plentiful hydrogen and disulfide bonds endowed the elastomer with not only good self-healing capability but also superior reprocessing performance. Importantly, the elastomer was able to be completely degraded within only 2 h in 1 mol L–1 NaOH water/ethanol solution. The LPU elastomer-based flexible strain sensor with liquid metal (LM) as the conductive material was successfully applied to detect various human motions and could restore its sensing function with the healing of the substrate and reconnection of the LM conductive layer. Moreover, the LM in the discarded sensor could be easily recycled to prepare the sensor after the degradation of the LPU substrate. The functional and environmentally friendly biobased elastomer will greatly promote the sustainable development and application of flexible electronics.

TRIP4 is a conserved transcriptional coactivator that is involved in the regulation of the expression of multiple genes. It consists of a classical N-terminal C2HC5-like zinc-finger domain and a conserved C-terminal ASCH domain. Here, we characterized the DNA-binding properties of the human TRIP4 ASCH domain. Our biochemical data show that TRIP4-ASCH has comparable binding affinities toward ssDNA and dsDNA of different lengths, sequences, and structures. The crystal structures reveal that TRIP4-ASCH binds to DNA substrates in a sequence-independent manner through two adjacent positively charged surface patches: one binds to the 5'-end of DNA, and the other binds to the 3'-end of DNA. Further mutagenesis experiments and binding assays confirm the functional roles of key residues involved in DNA binding. In summary, our data demonstrate that TRIP4-ASCH binds to the 5' and 3'-ends of DNA in a sequence-independent manner, which will facilitate further studies of the biological function of TRIP4.

Abstract Human NAD-dependent isocitrate dehydrogenase or IDH3 catalyzes the decarboxylation of isocitrate into α-ketoglutarate in the TCA cycle. We here report the structure of the IDH3 holoenzyme, in which the αβ and αγ heterodimers assemble the α 2 βγ heterotetramer via their clasp domains, and two α 2 βγ heterotetramers assemble the (α 2 βγ) 2 heterooctamer via the β and γ subunits. The functional roles of the key residues involved in the assembly and allosteric regulation are validated by mutagenesis and kinetic studies. The allosteric site plays an important role but the pseudo allosteric site plays no role in the allosteric activation; the activation signal from the allosteric site is transmitted to the active sites of both heterodimers via the clasp domains; and the N-terminus of the γ subunit plays a critical role in the formation and function of the holoenzyme. These findings reveal the molecular mechanism of the assembly and allosteric regulation of human IDH3 holoenzyme.

Abstract Accelerated evolution is often driven by the interaction between environmental factors and genes. However, it remains unclear whether accelerated evolution can be ignited. Here, we focused on adaptive events during the emergence of chorioallantoic placenta. We scanned the chromosome X and identified eight accelerated regions in the ancestral lineage of eutherian mammals. Five of these regions ( P = 5.61 × 10 −11 ~ 9.03 × 10 −8 ) are located in the five exons of Nik-related kinase ( Nrk ), which is essential in placenta development and fetoplacental induction of labor. Moreover, a eutherian-specific exogenous exon lack of splice variant was found to be conserved. Structure modelling of NRK suggests that the accelerated exons and the eutherian-specific exon could change the enzymatic activity of eutherian NRK. Since the eutherian-specific exon was surrounded by accelerated exons, it indicates that the accelerated evolution of Nrk may be ignited by the emergence of the new exon in the ancestral lineage of eutherian mammals. The new exon might shift the function of Nrk and provide a new fitness landscape for eutherian species to explore. Although multiple exons were accelerated in both of the Nrk catalytic and regulatory domains, positive selection can only be revealed on the regulatory domain if the branch specific nonsynonymous and synonymous rate test was performed by PAML. Thus, it may be important to detect accelerated evolution when studying positive selection on coding regions. Overall, this work suggests that the fundamental process of placental development and fetoplacental induction of labor has been targeted by positive Darwinian selection. Identifying positively selected placental genes provides insights into how eutherian mammals gain benefits from the invasive chorioallantoic placenta to form one of the most successful groups among terrestrial vertebrates.