清華陳柱成研究組發(fā)文闡述“模擬開關”染色質重塑蛋白的結構與調控機理

清華新聞網12月8日電 12月6日，清華大學生命學院陳柱成研究組在《自然》（Nature）雜志發(fā)表題為“模擬開關染色質重塑蛋白的結構與調控”（Structure and regulation of the chromatin remodeler ISWI）的研究論文。該研究通過X-射線晶體衍射的手段，解析了嗜熱酵母的染色質重塑蛋白ISWI (imitation switch, 模擬開關）及其與組蛋白H4復合物的原子分辨率結構；結合相應的生化實驗，揭示了“模擬開關” 蛋白的自抑制、被底物識別和激活以及感知接頭DNA長度，進而發(fā)揮染色質組裝功能的分子機理。

 
(a) 染色質重塑蛋白（ISWI）的功能元素分布圖。(b) “模擬開關”染色質重塑蛋白的整體結構。(c) “模擬開關”染色質重塑蛋白自抑制（灰色）和結合組蛋白H4（青色）的結構比對。 組蛋白H4多肽, 黃色; L3, 洋紅色。(d) “模擬開關”蛋白自抑制的概念圖。 (e) “模擬開關”蛋白結合帶有長接頭DNA的核小體的概念圖。虛線表示碳端負調控結構域（NegC）處在被拉伸狀態(tài)。“模擬開關”蛋白被激活，促進染色質重塑發(fā)生。(f) “模擬開關”蛋白結合帶有短接頭DNA的核小體的概念圖。此時，碳端負調控結構域（NegC）結合核心結構域(core2)，支撐螺旋(Brace helix) 被部分破壞，“模擬開關”蛋白失去活性。

染色質是真核生物的生命藍圖。染色質重塑蛋白利用三磷酸腺苷（ATP）水解的能量，改變染色質結構，參與生命藍圖的繪制和重繪。“模擬開關”染色質重塑蛋白是多個染色質重塑復合物的催化亞基，它驅動核小體在基因組DNA上滑動，調控基因轉錄、異染色質形成、X-染色體失活以及其它重要的染色質活動。“模擬開關”蛋白的催化核心（圖a，Core）是一個自主的染色質重塑分子機器，其運作受嚴格的調控。“模擬開關”染色質重塑蛋白活性受到氮端自抑制結構域（AutoN）和碳端負調控結構域（NegC）的抑制作用，確保其分子機器在沒有結合底物時不會消耗三磷酸腺苷（ATP）的能量。這些抑制作用分別被底物核小體的組蛋白H4和接頭DNA拮抗。然而，組蛋白H4的乙酰化修飾削弱其對“模擬開關”蛋白激活。這些多層次的調控作用確保細胞形成正確的高級染色質結構, 保證正常的生命活動。

論文揭示了“模擬開關”蛋白的氮端自抑制結構域（AutoN）包含兩個抑制元件，均與核心結構域（core2）結合，使得“模擬開關” 蛋白處于抑制狀態(tài)(圖b, L3 和 4)。組蛋白H4與核心結構域（core2）的一個負電荷表面結合, 與其中氮端自抑制結構域的一個抑制元件（L3）有競爭關系 (圖c)，從而解析了H4激活“模擬開關”蛋白以及乙酰化作用細調其活性的分子機理。另外，結合生化功能分析，該論文研究表明“模擬開關”蛋白的碳端負調控結構域（NegC）與核心結構域（core2）存在相互作用，這種相互作用是“模擬開關”蛋白通過DNA結合結構域（HSS）感知接頭DNA長度、發(fā)揮染色質組裝功能的分子基礎 (圖d-f)。

該論文是陳柱成研究組關于染色質重塑蛋白系列工作的一個重要組成部分。清華大學生命學院2014級直博生嚴麗娟和2016屆碩士生王麗為論文的共同第一作者，陳柱成研究員為通訊作者。該研究得到國家自然科學基金委、科技部、中組部、北京市高精尖結構生物學中心項目的經費支持，以及清華大學X-射線晶體平臺和上海同步輻射光源中心的工作支持。

論文鏈接：

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature20590.html

編者注：論文涉及的“ISWI染色質重塑蛋白”中的英文部分“ISWI”的原文為“Imitation Switch”, 為了方便讀者起見，譯為“模擬開關染色質重塑蛋白”。

供稿：生命學院 編輯：悸寔 華山