清華陳柱成研究組發(fā)文闡述“模擬開(kāi)關(guān)”染色質(zhì)重塑蛋白的結(jié)構(gòu)與調(diào)控機(jī)理
清華新聞網(wǎng)12月8日電 12月6日，清華大學(xué)生命學(xué)院陳柱成研究組在《自然》（Nature）雜志發(fā)表題為“模擬開(kāi)關(guān)染色質(zhì)重塑蛋白的結(jié)構(gòu)與調(diào)控”（Structure and regulation of the chromatin remodeler ISWI）的研究論文。該研究通過(guò)X-射線(xiàn)晶體衍射的手段，解析了嗜熱酵母的染色質(zhì)重塑蛋白ISWI (imitation switch, 模擬開(kāi)關(guān)）及其與組蛋白H4復(fù)合物的原子分辨率結(jié)構(gòu)；結(jié)合相應(yīng)的生化實(shí)驗(yàn)，揭示了“模擬開(kāi)關(guān)” 蛋白的自抑制、被底物識(shí)別和激活以及感知接頭DNA長(zhǎng)度，進(jìn)而發(fā)揮染色質(zhì)組裝功能的分子機(jī)理。
(a) 染色質(zhì)重塑蛋白（ISWI）的功能元素分布圖。(b) “模擬開(kāi)關(guān)”染色質(zhì)重塑蛋白的整體結(jié)構(gòu)。(c) “模擬開(kāi)關(guān)”染色質(zhì)重塑蛋白自抑制（灰色）和結(jié)合組蛋白H4（青色）的結(jié)構(gòu)比對(duì)。 組蛋白H4多肽, 黃色; L3, 洋紅色。(d) “模擬開(kāi)關(guān)”蛋白自抑制的概念圖。 (e) “模擬開(kāi)關(guān)”蛋白結(jié)合帶有長(zhǎng)接頭DNA的核小體的概念圖。虛線(xiàn)表示碳端負(fù)調(diào)控結(jié)構(gòu)域（NegC）處在被拉伸狀態(tài)。“模擬開(kāi)關(guān)”蛋白被激活，促進(jìn)染色質(zhì)重塑發(fā)生。(f) “模擬開(kāi)關(guān)”蛋白結(jié)合帶有短接頭DNA的核小體的概念圖。此時(shí)，碳端負(fù)調(diào)控結(jié)構(gòu)域（NegC）結(jié)合核心結(jié)構(gòu)域(core2)，支撐螺旋(Brace helix) 被部分破壞，“模擬開(kāi)關(guān)”蛋白失去活性。
染色質(zhì)是真核生物的生命藍(lán)圖。染色質(zhì)重塑蛋白利用三磷酸腺苷（ATP）水解的能量，改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)，參與生命藍(lán)圖的繪制和重繪。“模擬開(kāi)關(guān)”染色質(zhì)重塑蛋白是多個(gè)染色質(zhì)重塑復(fù)合物的催化亞基，它驅(qū)動(dòng)核小體在基因組DNA上滑動(dòng)，調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄、異染色質(zhì)形成、X-染色體失活以及其它重要的染色質(zhì)活動(dòng)。“模擬開(kāi)關(guān)”蛋白的催化核心（圖a，Core）是一個(gè)自主的染色質(zhì)重塑分子機(jī)器，其運(yùn)作受?chē)?yán)格的調(diào)控。“模擬開(kāi)關(guān)”染色質(zhì)重塑蛋白活性受到氮端自抑制結(jié)構(gòu)域（AutoN）和碳端負(fù)調(diào)控結(jié)構(gòu)域（NegC）的抑制作用，確保其分子機(jī)器在沒(méi)有結(jié)合底物時(shí)不會(huì)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(duì)“模擬開(kāi)關(guān)”蛋白激活。這些多層次的調(diào)控作用確保細(xì)胞形成正確的高級(jí)染色質(zhì)結(jié)構(gòu), 保證正常的生命活動(dòng)。
論文揭示了“模擬開(kāi)關(guān)”蛋白的氮端自抑制結(jié)構(gòu)域（AutoN）包含兩個(gè)抑制元件，均與核心結(jié)構(gòu)域（core2）結(jié)合，使得“模擬開(kāi)關(guān)” 蛋白處于抑制狀態(tài)(圖b, L3 和 4)。組蛋白H4與核心結(jié)構(gòu)域（core2）的一個(gè)負(fù)電荷表面結(jié)合, 與其中氮端自抑制結(jié)構(gòu)域的一個(gè)抑制元件（L3）有競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系 (圖c)，從而解析了H4激活“模擬開(kāi)關(guān)”蛋白以及乙?；饔眉?xì)調(diào)其活性的分子機(jī)理。另外，結(jié)合生化功能分析，該論文研究表明“模擬開(kāi)關(guān)”蛋白的碳端負(fù)調(diào)控結(jié)構(gòu)域（NegC）與核心結(jié)構(gòu)域（core2）存在相互作用，這種相互作用是“模擬開(kāi)關(guān)”蛋白通過(guò)DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域（HSS）感知接頭DNA長(zhǎng)度、發(fā)揮染色質(zhì)組裝功能的分子基礎(chǔ) (圖d-f)。
該論文是陳柱成研究組關(guān)于染色質(zhì)重塑蛋白系列工作的一個(gè)重要組成部分。清華大學(xué)生命學(xué)院2014級(jí)直博生嚴(yán)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(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、中組部、北京市高精尖結(jié)構(gòu)生物學(xué)中心項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)支持，以及清華大學(xué)X-射線(xiàn)晶體平臺(tái)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(zhì)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(jiàn)，譯為“模擬開(kāi)關(guān)染色質(zhì)重塑蛋白”。
供稿：生命學(xué)院 編輯：悸寔 華山
