清華新聞網(wǎng)4月7日電 DNA纏繞組蛋白八聚體形成的核小體是染色質(zhì)的基本單元。染色質(zhì)重塑蛋白（chromatin remodeler）利用ATP水解的能量移動(dòng)核小體,，從而調(diào)節(jié)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與基因表達(dá),。染色質(zhì)重塑蛋白包含四個(gè)主要家族：SWI/SNF、ISWI,、CHD和INO80,，它們具有多種生物學(xué)功能。其中,，SWI/SNF幫助形成開放的染色質(zhì),，促進(jìn)基因表達(dá)；而ISWI則感知接頭DNA的長(zhǎng)度,，促進(jìn)等間距核小體陣列排布,，推動(dòng)緊密染色質(zhì)結(jié)構(gòu)形成。不同的染色質(zhì)重塑蛋白具有高度保守的馬達(dá)結(jié)構(gòu)域（motor domain）,，是染色質(zhì)重塑反應(yīng)的核心,。而過度的染色質(zhì)重塑反應(yīng)需被抑制，從而避免破壞染色質(zhì)結(jié)構(gòu),。染色質(zhì)重塑馬達(dá)如何克服核小體中組蛋白與DNA的相互作用,，滑移核小體的機(jī)理并不完全清楚。
4月4日,，清華大學(xué)生命學(xué)院教授陳柱成在《科學(xué)》（Science）雜志在線發(fā)表題為“活躍ATP水解過程中ISWI染色質(zhì)重塑的結(jié)構(gòu)解析”（Structuralinsights intochromatin remodeling by ISWI during active ATP hydrolysis）的研究論文,。過往的結(jié)構(gòu)研究可能由于使用不能被水解的核苷酸底物，只捕捉到三種染色質(zhì)重塑狀態(tài)（ATP,、ADP和Apo）,。這個(gè)最新的研究使用ATP維持DNA滑移，讓馬達(dá)蛋白經(jīng)歷重塑循環(huán)中所有可能的構(gòu)象,。研究人員設(shè)計(jì)了不同濃度ATP實(shí)驗(yàn)條件,，富集不同狀態(tài)下的構(gòu)象，并通過冷凍電子顯微鏡技術(shù),，首次從ATP水解過程中解析出ATP,、ADP、ADP*,、ADP?,、ADP*?、Apo,、Apo*,、ADPS和ADPB等九種ISWI結(jié)合核小體的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)（分辨率2.3-3.0 ?）。這九種結(jié)構(gòu)共同組成了迄今最完整的染色質(zhì)重塑循環(huán)模型,，為解釋染色質(zhì)重塑中的DNA滑移和剎車機(jī)制奠定了基礎(chǔ),。
研究人員發(fā)現(xiàn)ISWI馬達(dá)蛋白在核小體內(nèi)部（SHL2）引起1bp DNA隆起（圖1）。這個(gè)全新構(gòu)像被命名為ADP*,，有別于經(jīng)典ADP狀態(tài)下的1/2bp DNA形變,。ADP*構(gòu)象中，DNA雙鏈同時(shí)從入口端向核小體內(nèi)部滑移,，導(dǎo)致1bp DNA隆起過渡性地儲(chǔ)存在SHL2處,，并打破DNA-組蛋白的局部相互作用。這時(shí),，ATP水解的化學(xué)能變轉(zhuǎn)換成DNA形變的勢(shì)能,。這一現(xiàn)象與兩種被廣泛關(guān)注的染色質(zhì)重塑機(jī)制存在沖突。這既不同于“扭曲傳播”（twist diffusion）模型中DNA-組蛋白相互作用保持完整的情況,，也有別于“環(huán)傳播”（loop propagation）模型中多個(gè)相鄰位點(diǎn)相互作用同時(shí)被破壞的特征,。ADP*狀態(tài)的發(fā)現(xiàn)找到了染色質(zhì)重塑循環(huán)中缺失的關(guān)鍵拼圖，提示一種新的DNA形變傳播模式,。
圖1.存儲(chǔ)1bp DNA隆起的ADP*狀態(tài)結(jié)構(gòu),。（A）ADP*狀態(tài)下，DNA隆起的電鏡密度圖,。（B）局部DNA-組蛋白相互作用分析,。ATP狀態(tài)，灰色,；ADP*狀態(tài),，彩色。在ADP*狀態(tài)下,，DNA與組蛋白局部相互作用被破壞,。（C）相對(duì)于ATP狀態(tài)，ADP*狀態(tài)的DNA磷酸骨架位移距離熱圖,。ADP*狀態(tài)下,，兩股DNA鏈從入口端向核小體內(nèi)部移動(dòng)（箭頭方向），1bp DNA形變儲(chǔ)存在SHL2位置,。（D）ATP狀態(tài)（灰色）與ADP*狀態(tài)（彩色）位于SHL2處的DNA結(jié)構(gòu)對(duì)比
研究還發(fā)現(xiàn)了ISWI的多個(gè)特異調(diào)控構(gòu)象：ADP?,、ADP*?、ADPS以及ADPB。ADP?和ADP*?具有正向調(diào)控元件：RYA（arginine-tyrosine anchor）和PosC（圖 2A-C）,。ADP?和ADP*?構(gòu)象常見于核小體接頭DNA較短一側(cè),，可能起到彌補(bǔ)DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域（DBD）錨定不足的作用，從而穩(wěn)定馬達(dá)對(duì)核小體的結(jié)合,，促進(jìn)染色質(zhì)重塑活性,。相反，在ADPB狀態(tài)下,，正向調(diào)控元件作用消失,，而新生成的Brake元件通過變構(gòu)作用，導(dǎo)致馬達(dá)蛋白異常開放,，從而落入失活狀態(tài)（圖2D-E）,。據(jù)此，研究人員提出了染色質(zhì)重塑的剎車機(jī)制,，闡明了ISWI家族特異的接頭DNA感知機(jī)制,。
圖2.ISWI調(diào)控狀態(tài)的結(jié)構(gòu)。（A）ISWI結(jié)構(gòu)域示意圖,。（B）ADP+的PosC（深藍(lán)）結(jié)構(gòu),。（C）ADP+的RYA結(jié)構(gòu)。上圖展示組蛋白表面電勢(shì),。（D）ADPB的結(jié)構(gòu),，Brake（橙色）。（E）ISWI的核小體滑移（居中）活性分析,。野生型（WT）ISWI感知接頭DNA長(zhǎng)度,，使核小體從DNA末端滑移至中間位置，產(chǎn)生遷移較慢條帶,。三種Brake作用的突變體,，破壞ISWI感知接頭DNA長(zhǎng)度的能力，從而形成遷移較快條帶
研究人員綜合所獲得的九種構(gòu)像,，提出一個(gè)多步驟染色質(zhì)重塑模型,，包括核心的重塑循環(huán)和外圍的調(diào)控狀態(tài)（圖3）。在核心重塑循環(huán)中,，ATP水解釋放無機(jī)磷酸,，馬達(dá)經(jīng)歷ATP至ADP構(gòu)像轉(zhuǎn)變，并在SHL2位置引發(fā)1/2bp的DNA形變,。馬達(dá)蛋白進(jìn)一步傾轉(zhuǎn),，進(jìn)入ADP*狀態(tài)，引發(fā)1bp DNA隆起,。隨后,，ADP*馬達(dá)蛋白在整體構(gòu)像不變的情況下釋放ADP,，進(jìn)入Apo*狀態(tài)。新一輪ATP結(jié)合促使馬達(dá)蛋白閉合,，馬達(dá)的定向運(yùn)動(dòng)推動(dòng)DNA鏈前移,，防止DNA逆滑。同時(shí),，馬達(dá)內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生調(diào)整,，釋放與DNA鏈的緊密接觸，使1bp DNA隆起向出口方向滑移,，DNA恢復(fù)松弛狀態(tài)。
染色質(zhì)重塑周期中,，DNA在ADP和ADP*狀態(tài)下發(fā)生形變,，使體系處于高能狀態(tài)，這是調(diào)控染色質(zhì)重塑活性的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),。馬達(dá)在RYA和PosC作用下,，可以穩(wěn)定在APD+和ADP*?構(gòu)象，否則容易滑入失去活性的ADPS和ADPB狀態(tài),。ADPS的結(jié)構(gòu)代表ATP水解的能量未有效轉(zhuǎn)換為DNA形變的狀態(tài)（打滑狀態(tài)）,。未來需要更多研究分析能量的轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)核小體滑移使得接頭DNA變得較短時(shí),，DBD失去錨定位點(diǎn),，馬達(dá)蛋白剎車，進(jìn)入ADPB狀態(tài),，從而避免過度的染色質(zhì)重塑,，實(shí)現(xiàn)對(duì)接頭DNA長(zhǎng)度的應(yīng)答?？傊?，研究人員認(rèn)為，核心重塑循環(huán)是各染色質(zhì)重塑蛋白中普遍通用的DNA滑移機(jī)制,，而外圍調(diào)控層則為ISWI家族特有,。
圖3.染色質(zhì)重塑DNA滑移和調(diào)控模型
陳柱成為論文通訊作者，清華大學(xué)生命學(xué)院2020級(jí)博士生謝悠揚(yáng)和博士后潘涵為論文共同第一作者,。博士后陳康凈參與了重要工作,。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重大科學(xué)研究計(jì)劃專項(xiàng),、北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心,、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（北京）設(shè)施清華基地的大力支持,。
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https://doi.org/10.1126/science.adu5654
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
