清華新聞網(wǎng)6月11日電 核小體是真核生物染色質(zhì)的基本單元。經(jīng)典的核小體由147 bp DNA纏繞組蛋白八聚體形成，其中組蛋白八聚體由兩拷貝H2A-H2B二聚體和一拷貝（H3-H4）2四聚體組成。染色質(zhì)結(jié)構(gòu)高度動(dòng)態(tài)可塑，核小體在復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、DNA損傷修復(fù)等過程中經(jīng)歷拆分和重新組裝，從而產(chǎn)生不同的中間態(tài)，如DNA解纏繞（DNA unwrapping）、六聚核小體（hexasome）和四聚核小體（tetrasome）。這些中間態(tài)統(tǒng)稱為亞核小體（subnucleosome），其保護(hù)的DNA片段（90-120 bp）顯著短于完整核小體。雖然MNase-seq等基因組學(xué)技術(shù)檢測到這些較短的受保護(hù)DNA片段，但由于現(xiàn)有技術(shù)無法區(qū)分亞核小體與多轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，加之酶切偏好性的干擾，使得亞核小體是否作為穩(wěn)定功能單元存在于細(xì)胞內(nèi)、其具體結(jié)構(gòu)形式及生物學(xué)功能等核心問題仍懸而未決，成為探索染色質(zhì)動(dòng)態(tài)調(diào)控機(jī)制中富有挑戰(zhàn)性的前沿領(lǐng)域之一。
清華大學(xué)生命學(xué)院陳柱成團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)人源染色質(zhì)重塑蛋白SMARCAD1對亞核小體的偏好性，并與郗喬然團(tuán)隊(duì)合作驗(yàn)證了SMARCAD1這一功能對小鼠胚胎干細(xì)胞干性維持的重要作用。相關(guān)工作以“人源染色質(zhì)重塑蛋白SMARCAD1的亞核小體偏好性”（Subnucleosome preference of human chromatin remodeler SMARCAD1）為題，于6月4日發(fā)表于《自然》（Nature）。
SMARCAD1是一種非經(jīng)典的染色質(zhì)重塑蛋白，對DNA損傷修復(fù)以及胚胎干細(xì)胞的異染色質(zhì)維持起重要作用。研究人員通過多種染色質(zhì)重塑活性檢測方法，意外發(fā)現(xiàn)SMARCAD1對亞核小體有顯著的活性，而對經(jīng)典核小體的活性微弱（圖1a）。為揭示這一獨(dú)特偏好性的機(jī)制，研究人員通過冷凍電鏡單顆粒技術(shù)解析了SMARCAD1結(jié)合六聚核小體的復(fù)合物結(jié)構(gòu)（圖1b）。與經(jīng)典的結(jié)合方式不同，SMARCAD1馬達(dá)結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)向六聚核小體中因DNA解纏繞留下的開放區(qū)域。電鏡結(jié)構(gòu)揭示了SMARCAD1內(nèi)部的幾個(gè)關(guān)鍵構(gòu)造特征。其中，馬達(dá)內(nèi)部插入有一個(gè)獨(dú)特的組蛋白結(jié)合結(jié)構(gòu)域（HBD，圖1c），HBD與H4的相互作用對SMARCAD1的染色質(zhì)重塑活性至關(guān)重要；SMARCAD1的C-端螺旋（CTH，圖1d）向外延伸并順勢結(jié)合到NPD上，從而把兩個(gè)核心的馬達(dá)結(jié)構(gòu)域連接起來，這對偶聯(lián)ATP水解和DNA滑移必不可少。在小鼠胚胎干細(xì)胞中，研究人員通過敲低、回補(bǔ)Smarcad1基因證實(shí)HBD、CTH等關(guān)鍵元素對Smarcad1發(fā)揮干細(xì)胞多能性維持作用不可或缺（圖1e）。
圖1.SMARCAD1的亞核小體偏好性及其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。（a） SMARCAD1染色質(zhì)重塑活性表征。酶切位點(diǎn)暴露實(shí)驗(yàn)，使用經(jīng)典核小體（上行）和亞核小體（下行）作為底物。右圖是初始反應(yīng)速度常數(shù)的定量分析。（b）SMARCAD1結(jié)合hexasome的整體冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。虛線框中的HBD（c）區(qū)域和CTH區(qū)域（d）進(jìn)一步放大展示。（e）mESC在不同條件下的細(xì)胞形態(tài)，以及堿性磷酸酶染色。Con：未處理。KD：敲低內(nèi)源Smarcad1表達(dá)量。EV：回補(bǔ)空載。WT：回補(bǔ)野生型Smarcad1。D821K：回補(bǔ)HBD突變（D821K）的Smarcad1。ΔCTH：回補(bǔ)ΔCTH突變的Smarcad1
為了回答SMARCAD1為何喪失對經(jīng)典核小體重塑活性這一問題，研究人員進(jìn)一步解析了SMARCAD1結(jié)合核小體的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)SMARCAD1雖然可以結(jié)合經(jīng)典核小體，但結(jié)合方式松散，是一種沒有活性的結(jié)合模式（圖2）。研究人員根據(jù)結(jié)構(gòu)推斷，如果SMARCAD1以經(jīng)典構(gòu)象結(jié)合核小體，其HBD將與核小體的組蛋白表面產(chǎn)生空間沖突。這解釋了SMARCAD1喪失對經(jīng)典核小體重塑活性的結(jié)構(gòu)性內(nèi)因。
圖2.SMARCAD1結(jié)合經(jīng)典核小體的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。（a）SMARCAD1結(jié)合核小體的apo狀態(tài)冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。（b）核小體DNA在Snf2（表面模型）與SMARCAD1（卡通模型）結(jié)合時(shí)的構(gòu)象對比。SMARCAD1不能緊密結(jié)合核小體，兩者之間有明顯空隙。（c-d）假設(shè)以經(jīng)典模式結(jié)合核小體，SMARCAD1將與核小體的組蛋白發(fā)生空間排斥。（c）的虛線框中的區(qū)域被旋轉(zhuǎn)，放大展示在（d）
值得一提的是，廣泛參與核小體拆分與重新組裝的組蛋白分子伴侶FACT復(fù)合物與SMARCAD1產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)（圖3a）。FACT可能通過部分拆分核小體，極大促進(jìn)SMARCAD1對核小體的染色質(zhì)重塑活性。這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步加強(qiáng)了SMARCAD1在調(diào)控亞核小體動(dòng)態(tài)的作用模式（圖3c）。SMARCAD1獨(dú)特的亞核小體重塑活性為研究細(xì)胞內(nèi)的亞核小體打開了一個(gè)窗口，提示亞核小體可能是穩(wěn)定的功能單元，而非傳統(tǒng)認(rèn)知的短暫副產(chǎn)物。與SMARCAD1功能相符，DNA損傷修復(fù)時(shí)，組蛋白發(fā)生多種修飾，這些修飾抑制完整核小體組裝，卻促進(jìn)亞核小體穩(wěn)定化。此外，細(xì)胞快速復(fù)制時(shí)，如早期胚胎細(xì)胞分裂，核小體高效拆分-重組，可能導(dǎo)致亞核小體大量累積。這些染色質(zhì)發(fā)生迅速變化的生命活動(dòng)為研究亞核小體以及亞核小體調(diào)控蛋白提供廣闊的舞臺(tái)。
圖3.SMARCAD1-FACT相互作用及功能協(xié)同。（a）SMARCAD1與FACT協(xié)同重塑核小體。右圖是核小體滑移的動(dòng)力學(xué)跟蹤分析。WT：野生型SMARCAD1全長蛋白；D821K：具有D821K突變的SMARCAD1；ΔCTH：將CTH截短的SMARCAD1蛋白；FAB：FACT與H2A-H2B 二聚體混合物。（b）SMARCAD1滑移hexasome的卡通模式圖。（c）SMARCAD1在復(fù)制叉區(qū)域發(fā)揮功能的可能模式：幫助親代組蛋白轉(zhuǎn)移到子代；推動(dòng)復(fù)制后抑制性組蛋白修飾擴(kuò)散，以及滑離過于靠近的亞核小體與核小體，幫助重新組裝染色質(zhì)
清華大學(xué)生命學(xué)院教授陳柱成、副教授郗喬然為論文通訊作者，清華大學(xué)生命學(xué)院、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心2018級博士生胡鵬晶、2023級博士生孫菁溪、博士后孫宏瑤和博士后陳康凈為論文共同第一作者。生命學(xué)院2020級博士生謝悠揚(yáng)和夏顯（已畢業(yè)）參與了重要工作。
研究得到國家自然科學(xué)基金、科技部重大科學(xué)研究計(jì)劃專項(xiàng)、北京市結(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、國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（北京）設(shè)施清華基地的大力支持。
論文連接：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09100-0
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
