清華生命學(xué)院陳柱成與李雪明課題組合作在《自然》發(fā)文闡述染色質(zhì)重塑機(jī)理
清華新聞網(wǎng)4月22日電 4月19日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院陳柱成課題組和李雪明課題組合作在《自然》（Nature）雜志上以長(zhǎng)文（Research Article）形式在線發(fā)表題為《Snf2-核小體復(fù)合物結(jié)構(gòu)揭示的染色質(zhì)重塑機(jī)理》（Mechanism of chromatin remodeling revealed by the Snf2-nucleosome structure）的研究論文，闡述了Snf2蛋白與底物核小體的結(jié)合方式及染色質(zhì)重塑發(fā)生的機(jī)理。
在真核生物細(xì)胞內(nèi)，DNA纏繞著組蛋白八聚體形成染色質(zhì)的基本組成單位—核小體。染色質(zhì)在包裝、保護(hù)遺傳物質(zhì)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而染色質(zhì)形成同時(shí)對(duì)細(xì)胞內(nèi)的一些生理過(guò)程，如DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、修復(fù)等產(chǎn)生了巨大的障礙。SWI/SNF家族染色質(zhì)重塑蛋白復(fù)合物通過(guò)利用ATP水解的能量調(diào)控染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)，廣泛參與調(diào)控干細(xì)胞分化、重編程、免疫應(yīng)答、學(xué)習(xí)和記憶、癌癥等不同的生物學(xué)過(guò)程。染色質(zhì)重塑復(fù)合物從酵母到人都保守，但其發(fā)揮功能的分子機(jī)理尚不了解，是長(zhǎng)期存在的染色質(zhì)生物學(xué)領(lǐng)域的基本問(wèn)題。
陳柱成課題組于2016年在《自然結(jié)構(gòu)與分子生物學(xué)》（NSMB）發(fā)表的論文解析了Snf2蛋白基態(tài)晶體結(jié)構(gòu)，闡釋了Snf2的自抑制機(jī)理。然而該蛋白結(jié)合底物核小體的結(jié)構(gòu)仍是未知。國(guó)際上其它研究組解析的染色質(zhì)重塑復(fù)合物與核小體結(jié)合的結(jié)構(gòu)分辨率都在20 埃左右的水平，只能從輪廓及空間大小推測(cè)核小體的結(jié)合位置，無(wú)法解析更深層次的生物學(xué)問(wèn)題，如蛋白與底物核小體之間是怎樣相互作用，蛋白又是怎樣利用ATP水解的能量改變核小體結(jié)構(gòu)等等這些問(wèn)題都無(wú)從知曉。
本研究通過(guò)冷凍電鏡單顆粒技術(shù)，成功獲得了Snf2-核小體復(fù)合物分辨率為4.69 埃的電鏡結(jié)構(gòu)（圖a）。通過(guò)對(duì)比本實(shí)驗(yàn)室之前解出的Snf2蛋白的晶體結(jié)構(gòu)和復(fù)合物的電鏡結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，Snf2蛋白結(jié)合核小體以后，兩個(gè)主結(jié)構(gòu)域( core1 and core2)之間發(fā)生了約80°的旋轉(zhuǎn)。這個(gè)巨大的構(gòu)象變化產(chǎn)生了一個(gè)由SuppH 螺旋和Brace 螺旋介導(dǎo)的相互作用的新界面，同時(shí)把結(jié)構(gòu)要素I 和VI 拉到一起，這就揭示了核小體能夠激發(fā)Snf2蛋白ATP酶活的機(jī)理（圖b）。與人們以前一直認(rèn)為的Snf2是插到DNA與組蛋白之間發(fā)揮功能的模型不同，結(jié)果顯示，Snf2主要通過(guò)多個(gè)保守的解旋酶結(jié)構(gòu)要素和核小體DNA的磷酸骨架結(jié)合，這也解釋了染色質(zhì)重塑復(fù)合物與DNA結(jié)合的序列非特異性，同時(shí)也揭示了一個(gè)普遍的染色質(zhì)重塑蛋白與底物結(jié)合的機(jī)制（圖c）。生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，Snf2的這個(gè)構(gòu)型是耦合ATP水解和染色質(zhì)重塑的關(guān)鍵（圖d）。研究同時(shí)指出， Snf2蛋白打破局部的DNA與組蛋白的相互作用，使結(jié)合位點(diǎn)處的DNA發(fā)生形變。該研究推斷，ATP結(jié)合和水解，使得Snf2發(fā)生進(jìn)一步結(jié)構(gòu)改變，從而把這個(gè)DNA形變推送出去，這與文獻(xiàn)中染色質(zhì)重塑的“DNA波”模型一致（圖e）。這個(gè)研究解析了第一個(gè)染色質(zhì)重塑蛋白與底物核小體結(jié)合的高分辨結(jié)構(gòu)，首次揭示了染色質(zhì)重塑的機(jī)理。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院陳柱成研究員和李雪明研究員為本文的共同通訊作者；清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士研究生劉曉玉、李美靜、夏顯為本文的共同第一作者 （圖f）。國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（北京）設(shè)施清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)為數(shù)據(jù)收集提供了支持，清華大學(xué)高性能計(jì)算平臺(tái)為數(shù)據(jù)處理提供了支持。本研究獲得了清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心、清華－北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、科技部和國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持。
Snf2-核小體復(fù)合物結(jié)構(gòu)及染色質(zhì)重塑機(jī)理。(a) Snf2-核小體復(fù)合物電子顯微鏡結(jié)構(gòu)的兩個(gè)不同視角，虛線部分在（b）、(c)放大再分析；(b) 激活狀態(tài)的Snf2結(jié)構(gòu)；(c) Snf2-DNA 相互作用；(d)基于結(jié)構(gòu)的Snf2活性分析（左圖，ATP水解活性；右圖，染色質(zhì)重塑活性）；(e) Snf2染色質(zhì)重塑機(jī)理模型，雙箭頭（左圖）表示Snf2的兩個(gè)主結(jié)構(gòu)域的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向，單箭頭（右圖）表示“DNA 波”傳遞方向；(f) 染色質(zhì)重塑研究團(tuán)隊(duì)（前排左起：夏顯，劉曉玉，李美靜；后排：李雪明，陳柱成）。
原文鏈接：
http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature22036.html
編輯：華山 襄樺
