清華新聞網(wǎng)1月8日電 細(xì)胞染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變化調(diào)控遺傳信息的開(kāi)放程度，從而影響基因活性，改變細(xì)胞命運(yùn)和細(xì)胞狀態(tài)。這一過(guò)程在發(fā)育、免疫應(yīng)答、腫瘤發(fā)生發(fā)展等方面具有重要作用。利用ATP的能量，染色質(zhì)重塑復(fù)合物滑動(dòng)、彈出、交換或解聚核小體，實(shí)現(xiàn)對(duì)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)調(diào)控。其中，ISWI家族染色質(zhì)重塑復(fù)合物ISW1a不僅能滑動(dòng)核小體，還能感知周?chē)旧|(zhì)環(huán)境，促進(jìn)酵母細(xì)胞形成等間距排布的核小體陣列。ISW1a主要聚集在基因組的啟動(dòng)子區(qū)，通過(guò)滑動(dòng)核小體來(lái)關(guān)閉啟動(dòng)子染色質(zhì)。
1月5日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/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)合中心陳柱成教授研究團(tuán)隊(duì)在《自然結(jié)構(gòu)與分子生物學(xué)》（Nat. Struct. Mol. Biol）期刊在線(xiàn)發(fā)表題為“ISW1a復(fù)合物結(jié)合雙核小體的結(jié)構(gòu)”（Structure of the ISW1a complex bound to thedinucleosome）的研究論文。該論文首次報(bào)道了染色質(zhì)重塑復(fù)合物結(jié)合雙核小體的結(jié)構(gòu)，揭示了ISW1a催化核小體等間距排布的分子機(jī)制，為理解染色質(zhì)重塑在高級(jí)染色質(zhì)環(huán)境中發(fā)揮功能提供了新的認(rèn)識(shí)角度。
圖1.ISW1a復(fù)合物結(jié)合雙核小體的結(jié)構(gòu)和相關(guān)功能研究
（a）ISW1a復(fù)合物的亞基組成。（b）ISW1a結(jié)合雙核小體的電鏡結(jié)構(gòu)。黑箭頭表示DNA移動(dòng)的方向。（c）Ioc3野生型與突變體復(fù)合物的核小體間距排布活性。（d）野生型與Ioc3突變體酵母菌株的生長(zhǎng)表型分析。（e）野生型與Ioc3突變體酵母菌株基因的啟動(dòng)子附件+1~+4位核小體陣列排布。（f）ISW1a與RSC滑動(dòng)啟動(dòng)子核小體，相互制衡的工作模型。TSS,轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)；AP,酸性表面。青色和深綠色彎箭頭分別表示ISW1a與RSC對(duì)啟動(dòng)子DNA的結(jié)合，直箭頭表示對(duì)應(yīng)的+1核小體的移動(dòng)方向
ISW1a復(fù)合物由馬達(dá)亞基Isw1和調(diào)控亞基Ioc3組成（圖a）。通過(guò)ISW1a結(jié)合底物核小體的結(jié)構(gòu)可以看到，ISW1a的兩個(gè)亞基分別識(shí)別一個(gè)核小體（圖b）。其中Isw1馬達(dá)亞基結(jié)合的核小體可以發(fā)生滑動(dòng)，稱(chēng)為N1核小體。Isw1亞基與N1核小體的結(jié)合機(jī)制有三處，分別是馬達(dá)結(jié)構(gòu)域結(jié)合核小體的DNA和H4尾巴，“精氨酸錨”(arginine anchor, RA)結(jié)合核小體酸性表面（acidic patch, AP），以及HSS結(jié)構(gòu)域結(jié)合入口端接頭DNA。Ioc3亞基結(jié)合的核小體稱(chēng)為N2核小體，結(jié)合位點(diǎn)也有三處，分別是入口端接頭DNA、核小體的H4尾巴，以及核小體酸性表面。HSS-Ioc3共同形成一個(gè)DNA結(jié)合模塊，識(shí)別入口端長(zhǎng)度~30bp的接頭DNA。馬達(dá)結(jié)構(gòu)域和HSS-Ioc3模塊協(xié)同作用于N1核小體，揭示了ISW1a作為“蛋白標(biāo)尺”，推動(dòng)間距為30bp的核小體陣列的分子機(jī)制。此外，該研究首次發(fā)現(xiàn)核小體陣列中鄰近的核小體參與調(diào)控染色質(zhì)重塑活性。Ico3結(jié)合N2核小體，促進(jìn)了ISW1a的核小體間距活性（圖c）。這種對(duì)鄰近核小體的識(shí)別作用在DNA損傷修復(fù)（圖d）以及基因組啟動(dòng)子區(qū)核小體的規(guī)則排布（圖e）等方面扮演重要角色。
結(jié)合課題組之前關(guān)于RSC染色質(zhì)重塑復(fù)合物的研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，盡管ISW1a與RSC都識(shí)別啟動(dòng)子DNA，但由于兩者三維空間結(jié)構(gòu)的不同，使得染色質(zhì)重塑馬達(dá)結(jié)構(gòu)域分別結(jié)合+1位核小體的兩個(gè)不同表面。這種馬達(dá)定位的差異導(dǎo)致+1位核小體滑向兩個(gè)相反方向，從而發(fā)揮出相互制衡的功能（圖f）。具體來(lái)說(shuō)，ISW1a將+1位核小體滑向上游啟動(dòng)子區(qū)，抑制基因的轉(zhuǎn)錄，而RSC把+1位核小體滑向下游啟動(dòng)子區(qū)，促進(jìn)基因的轉(zhuǎn)錄。因此，這兩大類(lèi)染色質(zhì)重塑復(fù)合物一開(kāi)和一關(guān)，共同調(diào)控基因表達(dá)的精細(xì)平衡。
陳柱成為該論文通訊作者，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2018級(jí)博士生李莉菲（已畢業(yè)）和2022級(jí)博士后陳康凈、2020級(jí)博士生謝悠揚(yáng)為該論文共同第一作者，生命學(xué)院2019級(jí)博士生胡鵬晶、鄭州大學(xué)葉佑丕研究員也參與了重要工作。本研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重大科學(xué)研究計(jì)劃專(zhuān)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(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，國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（北京）設(shè)施清華基地冷凍電鏡平臺(tái)和計(jì)算平臺(tái)為數(shù)據(jù)收集和處理提供了支持。
論文連接：
https://www.nature.com/articles/s41594-023-01174-6
供稿：生命學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：韓羽臻
編輯：李華山
審核：郭玲
