生命學(xué)院陳柱成、李雪明等合作在《自然》發(fā)文報(bào)道染色質(zhì)重塑發(fā)生的機(jī)理

清華新聞網(wǎng)3月14日電 3月13日，清華大學(xué)生命學(xué)院陳柱成、李雪明課題組聯(lián)合中科院物理所李明研究員等人在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）上在線(xiàn)發(fā)表題為《Snf2介導(dǎo)的染色質(zhì)重塑中DNA滑移機(jī)理的研究》（Mechanism of DNA translocation underlying chromatin remodeling by Snf2）的研究論文。該工作解析了不同核苷酸狀態(tài)下Snf2-核小體復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了染色質(zhì)重塑的機(jī)理。

SWI/SNF家族蛋白利用ATP水解產(chǎn)生的能量移動(dòng)核小體在基因組DNA的位置，重塑染色質(zhì)。這對(duì)于控制遺傳物質(zhì)的開(kāi)放性，調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄等方面發(fā)揮重要作用。陳柱成實(shí)驗(yàn)室近期報(bào)道了Snf2與核小體結(jié)合的結(jié)構(gòu) (Liu, Nature 2017)，但這個(gè)早期的工作并沒(méi)有明確檢測(cè)到DNA移位。染色質(zhì)重塑蛋白如何利用ATP水解的能量推動(dòng)核小體滑移依然是一個(gè)讓人困擾的難題。  

圖1. Snf2-核小體復(fù)合物在不同核苷酸狀態(tài)的整體結(jié)構(gòu)以及核小體滑動(dòng)模型

在這個(gè)研究基礎(chǔ)上，陳柱成繼續(xù)與李雪明實(shí)驗(yàn)室合作，利用冷凍電鏡技術(shù)，進(jìn)一步確定了在不同核苷酸（ADP和ADP-BeFx）狀態(tài)下Snf2-核小體復(fù)合物的高分辨結(jié)構(gòu)（圖1）。他們發(fā)現(xiàn)在一個(gè)ATPase循環(huán)過(guò)程中，Snf2存在打開(kāi)-閉合的構(gòu)象變化。在打開(kāi)狀態(tài)下，Snf2在核小體結(jié)合點(diǎn)(SHL2)引起1bp DNA的凸起，這個(gè)形變沿DNA鏈向入口端傳遞，使得1bp DNA被拉入核小體。而且DNA前導(dǎo)鏈比后隨鏈有更明顯的移動(dòng)，顯示DNA的“扭曲－滑移”運(yùn)動(dòng)。ADP-BeFx的結(jié)合導(dǎo)致酶構(gòu)象閉合，核小體恢復(fù)到自然狀態(tài)，沒(méi)有明顯的扭曲。Snf2介導(dǎo)的這種DNA運(yùn)動(dòng)模式超出一般想象。

為了確認(rèn)這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，陳柱成與中科院物理所李明實(shí)驗(yàn)室合作，利用單分子熒光技術(shù)(smFRET)確認(rèn)了溶液狀態(tài)的DNA運(yùn)動(dòng)與冷凍電鏡結(jié)構(gòu)一致。最后，研究者提出了染色質(zhì)重塑的兩步走”DNA波”模型：第一步，ATP水解，Snf2張開(kāi)，把DNA從入口端拉進(jìn)，并在SHL2處儲(chǔ)存1bp DNA形變（“DNA波”）；第二步，ATP結(jié)合，Snf2關(guān)閉，使得DNA形變向出口端傳遞，就像水波沿湖面?zhèn)鬟f一樣,最終實(shí)現(xiàn)DNA對(duì)組蛋白的相對(duì)移動(dòng)。這個(gè)模型表明Snf2水解一個(gè)ATP，移動(dòng)1bp DNA。同時(shí)也解釋了DNA移動(dòng)的方向性機(jī)制。所以，本論文解答了染色質(zhì)重塑過(guò)程中DNA移位的基本原理，相信此研究結(jié)果在染色質(zhì)領(lǐng)域會(huì)有非常廣泛的影響。 

清華大學(xué)生命學(xué)院陳柱成研究員、李雪明研究員，中科院物理所李明研究員為本文共同通訊作者。清華大學(xué)生命學(xué)院博士生李美靜、夏顯、田元元和劉曉玉，中科院物理所博士生賈棋為本文共同第一作者。本課題由中國(guó)科技部，自然科學(xué)基金委提供經(jīng)費(fèi)支持，并得到清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心，北京市高精尖結(jié)構(gòu)生物學(xué)中心的資助。

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https://www.nature.com/articles/s41586-019-1029-2

供稿：生命學(xué)院 編輯：李華山 審核：周襄楠