Kinetic isotope effect study of N-6 methyladenosine chemical demethylation in bicarbonate-activated peroxide system

化学 去甲基化 动力学同位素效应 过氧化氢 铁质 无机化学 核酸 过氧化物 有机化学 生物化学 氘 量子力学 基因 物理 基因表达 DNA甲基化
作者
Fangya Li,Ying Wang,Jianyu Zhang
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:159 (12)
标识
DOI:10.1063/5.0169285
摘要

N-6 methyladenosine is the most abundant nucleic acid modification in eukaryotes and plays a crucial role in gene regulation. The AlkB family of alpha-ketoglutarate-dependent dioxygenases is responsible for nucleic acid demethylation. Recent studies have discovered that a chemical demethylation system using hydrogen peroxide and ammonium bicarbonate can effectively demethylate nucleic acids. The addition of ferrous ammonium sulfate boosts the oxidation rate by forming a Fenton reagent with hydrogen peroxide. However, the specific mechanism and key steps of this process remain unclear. In this study, we investigate the influence of ferrous ammonium sulfate concentration on the kinetic isotope effect (KIE) of the chemical demethylation system using LC-MS. As the concentration of ferrous ions increases, the observed KIE decreases from 1.377 ± 0.020 to 1.120 ± 0.016, indicating a combination of the primary isotope effect and inverse α-secondary isotope effect with the ion pairing effect. We propose that the initial hydrogen extraction is the rate-limiting step and observe a tight transition state structure in the formation of the hm6A process through the analysis of KIE trends. The concentration-dependent KIE provides a novel perspective on the mechanism of chemical demethylation and offers a chemical model for enzyme-catalyzed demethylation.
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