清華新聞網(wǎng)7月5日電 近日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院陳柱成教授課題組解析了染色質(zhì)重塑蛋白ALC1（amplification in liver cancer1，又名CHD1L：chromodomain helicase/ATPase DNA binding protein 1-like）自抑制狀態(tài)下的晶體結(jié)構(gòu)，以及ALC1-核小體復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，結(jié)合相應(yīng)的生化實(shí)驗(yàn)，揭示了ALC1是如何自抑制以及如何被核小體調(diào)控的機(jī)理。
真核生物體內(nèi)，遺傳物質(zhì)DNA纏繞組蛋白形成染色質(zhì)，處于高度凝縮狀態(tài)。因此，基因組復(fù)制、DNA損傷修復(fù)和基因轉(zhuǎn)錄等等都受到嚴(yán)重阻礙，這就需要染色質(zhì)重塑蛋白調(diào)控染色質(zhì)的開(kāi)放性。ALC1是染色質(zhì)重塑家族Snf2的一個(gè)亞家族，能利用水解三磷酸腺苷（ATP）產(chǎn)生的能量滑動(dòng)核小體的位置。跟其它的染色質(zhì)重塑蛋白一樣，ALC1含有兩個(gè)類(lèi)似DNA解旋酶的催化核心結(jié)構(gòu)域（Lobe1, Lobe2）（圖a），它的C末端有一個(gè)獨(dú)特的Macro結(jié)構(gòu)域，能識(shí)別細(xì)胞內(nèi)DNA損傷引發(fā)的poly(ADP-ribose) (PAR)信號(hào)。當(dāng)DNA受到損傷時(shí)，PARP1（poly(ADP-ribose) polymerase 1）被激活，催化形成PAR鏈。ALC1能夠識(shí)別這種信號(hào)，進(jìn)而被招募到DNA損傷位點(diǎn)，滑動(dòng)核小體，打開(kāi)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)DNA的修復(fù)。ALC1是一個(gè)癌基因，在超過(guò)50%的肝癌病例中都有高水平表達(dá)，它的高水平表達(dá)會(huì)顯著降低結(jié)腸癌患者的術(shù)后生存率。這些研究表明ALC1是治療相關(guān)癌癥非常有希望的靶點(diǎn)。盡管ALC1在DNA損傷修復(fù)和癌癥治療上的重要性，但它的結(jié)構(gòu)以及活性調(diào)控機(jī)制并不清楚。
ALC1自抑制狀態(tài)下呈現(xiàn)出非常松散的構(gòu)象，對(duì)其結(jié)構(gòu)研究是一個(gè)挑戰(zhàn)和難題。早在2017年有兩個(gè)課題組發(fā)現(xiàn)了ALC1自抑制狀態(tài)，并根據(jù)質(zhì)譜，X-射線(xiàn)小角散射等手段給出兩種可能的低分辯結(jié)構(gòu)模型，但ALC1的結(jié)構(gòu)究竟是怎樣的目前并不清楚。為了解析ALC1的結(jié)構(gòu)，陳柱成課題組對(duì)ALC1蛋白進(jìn)行晶體學(xué)和冷凍電子顯微鏡學(xué)研究。但由于蛋白的構(gòu)象太多，一直無(wú)法直接獲得一個(gè)高分辨的結(jié)構(gòu)模型。為了穩(wěn)定ALC1構(gòu)型，他們篩選酵母展示庫(kù)，得到了可以跟ALC1結(jié)合的單鏈抗體（scFv：single-chain antibody fragment/ single-chain variable fragment），并最終解析了ALC1-scFv的3.5 ?的晶體結(jié)構(gòu)（圖b）。
晶體結(jié)構(gòu)與復(fù)合物的電鏡結(jié)構(gòu)圖以及相關(guān)功能的研究
a. ALC1的結(jié)構(gòu)域組成 b. ALC1自抑制狀態(tài)下的晶體結(jié)構(gòu) c. Lobe2 與Macro 結(jié)構(gòu)域的相互作用界面 d. ALC1與核小體復(fù)合物的電鏡結(jié)構(gòu) e. ALC1與核小體酸性區(qū)的結(jié)合，紅色部分是結(jié)構(gòu)中看到的ALC1上的一段loop f. ALC1結(jié)構(gòu)上與癌癥相關(guān)的多個(gè)突變，以及突變對(duì)ALC1自身活性的影響
結(jié)構(gòu)顯示，ALC1的兩個(gè)催化核心之間僅由一段loop連接，并沒(méi)有直接的相互作用，這解釋了整個(gè)蛋白非常松散的原因。ACL1自抑制主要因?yàn)槠渲幸粋€(gè)催化核心（Lobe2）與ALC1特異的Macro結(jié)構(gòu)域結(jié)合（圖c），抑制催化中心的功能，確保其在沒(méi)有接受到DNA損傷信號(hào)時(shí)不會(huì)消耗ATP的能量，不會(huì)擾亂染色質(zhì)結(jié)構(gòu)。這個(gè)抑制作用可以通過(guò)Macro結(jié)構(gòu)域結(jié)合PAR鏈打破，也可能因?yàn)榘┌Y相關(guān)的基因突變打破。為了得到ALC1激活狀態(tài)下的機(jī)制，陳柱成課題組解析了ALC1與核小體復(fù)合物的電鏡結(jié)構(gòu) （圖d）。結(jié)構(gòu)顯示，ALC1除了與核小體DNA和H4尾巴相互作用外，也受到H2A-H2B酸性區(qū)的調(diào)控（圖e）,這是首次在結(jié)構(gòu)中看到染色質(zhì)重塑催化亞基與核小體酸性區(qū)的結(jié)合。結(jié)構(gòu)和生化分析顯示癌癥相關(guān)的突變?cè)诙喾矫嬗绊懥薃LC1的功能（圖f），本文的研究為以ALC1為靶點(diǎn)設(shè)計(jì)抗癌藥物提供了很好的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
該研究工作在《自然·通訊》（Nature Communication）期刊上發(fā)表，題為“ALC1/CHD1L自抑制以及被核小體激活的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)”（Structural basis of ALC1/CHD1L autoinhibition and the mechanism of activation by the nucleosome）。該文章是陳柱成研究組關(guān)于染色質(zhì)重塑系列工作的一個(gè)重要組成部分。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2017級(jí)博士生王麗和2017級(jí)博士生陳康凈為論文的共同第一作者，陳柱成教授為通訊作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、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以及清華大學(xué)電鏡平臺(tái)的工作支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-24320-4
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：李晨暉
