清華新聞網(wǎng)4月28日電 近日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、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)合中心陳柱成教授課題組在染色質(zhì)重塑領(lǐng)域取得新突破。該項(xiàng)研究報(bào)道了人源染色質(zhì)重塑復(fù)合物PBAF在活性狀態(tài)下結(jié)合核小體的結(jié)構(gòu)，揭示了由12個(gè)亞基組成的PBAF復(fù)合物的組裝方式和識(shí)別核小體的機(jī)制，為眾多與人類(lèi)疾病相關(guān)突變的致病機(jī)理提供了理論框架。
在真核生物中，DNA纏繞在組蛋白上形成核小體，經(jīng)高度壓縮形成染色質(zhì)。這一形式一方面保證了基因組的穩(wěn)定性，另一方面阻礙了諸如遺傳信息的復(fù)制，轉(zhuǎn)錄和DNA損傷修復(fù)等生命活動(dòng)。因此，染色質(zhì)的動(dòng)態(tài)調(diào)控對(duì)于生物具有重要作用。染色質(zhì)重塑Snf2-家族馬達(dá)蛋白利用ATP的能量滑動(dòng)、彈出、交換或解聚核小體來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)染色質(zhì)的動(dòng)態(tài)調(diào)控。
BAF（BRG1-associated factors）和PBAF（polybromo-associated BRG1-associated factors）是哺乳動(dòng)物SWI/SNF家族的染色質(zhì)重塑復(fù)合物,它們調(diào)控染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)，廣泛參與動(dòng)物細(xì)胞的發(fā)育分化過(guò)程。近年來(lái)，隨著高通量測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，科研人員發(fā)現(xiàn)BAF/PBAF復(fù)合物的突變與超過(guò)20%的癌癥，及多種神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育缺陷有關(guān)。BAF/PBAF被認(rèn)為是治療癌癥等重大人類(lèi)疾病的潛在藥物靶點(diǎn)。因此SWI/SNF家族復(fù)合物被廣泛關(guān)注和研究。盡管早在1996年，BAF/PBAF復(fù)合物就已經(jīng)被鑒定出來(lái)，但對(duì)于其組裝方式和染色質(zhì)重塑機(jī)制一直都不清楚。得益于冷凍電鏡技術(shù)的發(fā)展，酵母SWI/SNF家族復(fù)合物及人源BAF復(fù)合物的高分辨結(jié)構(gòu)先后在2019和2020年被報(bào)道。然而，對(duì)于PBAF復(fù)合物的組裝方式，識(shí)別核小體的機(jī)制，其與BAF復(fù)合物的差異等問(wèn)題還尚待研究。尤其是已報(bào)道的BAF復(fù)合物的核心馬達(dá)亞基（SMARCA4/BRG1）處于非活性狀態(tài)，不能準(zhǔn)確解析許多與疾病相關(guān)突變的致病機(jī)理。
PBAF染色質(zhì)重塑復(fù)合物結(jié)合核小體的結(jié)構(gòu)和疾病相關(guān)突變
(a)PBAF-核小體復(fù)合物的冷凍電鏡密度圖。(b)PBAF-核小體復(fù)合物的結(jié)構(gòu)模型。(c)PBAF復(fù)合物識(shí)別核小體，調(diào)控染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的模型。(d)3703個(gè)癌癥相關(guān)的SMARCA4錯(cuò)義突變位點(diǎn)，以及多個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育缺陷相關(guān)的SMARCA2的錯(cuò)義突變位點(diǎn)分布（數(shù)據(jù)來(lái)自COSMIC，cBioPortal和已發(fā)表文獻(xiàn)）。以SMARCA4序列為參考，標(biāo)記高頻突變位點(diǎn)；SMARCA2突變的對(duì)應(yīng)氨基酸殘基在[]里。(e)疾病相關(guān)的突變位點(diǎn)主要位于“ATP pocket”周?chē)汀癇race interface”，局部放大圖顯示了高頻突變位點(diǎn)在Brace-helix界面的分布，右圖生化實(shí)驗(yàn)顯示R973和R1243的突變大大降低了染色質(zhì)重塑活性
陳柱成團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期深耕于染色質(zhì)重塑領(lǐng)域，發(fā)表了一系列重要成果。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)克服技術(shù)難點(diǎn)，不斷突破，通過(guò)體外重組的方法獲得了高質(zhì)量的PBAF復(fù)合物，利用冷凍電子顯微鏡技術(shù)，解析了PBAF結(jié)合核小體的高分辨結(jié)構(gòu)（3.4埃）。
PBAF復(fù)合物的12個(gè)亞基根據(jù)功能不同，可以分3個(gè)模塊：發(fā)揮催化活性的motor模塊，具有調(diào)控功能的ARP (actin-related protein)模塊，和發(fā)揮染色質(zhì)靶向功能的SRM模塊（substrate recruitment module）。其中，PBAF的9個(gè)輔助亞基穿梭交織在一起，形成一個(gè)三葉片狀的SRM模塊。這些葉片根據(jù)其主要生物學(xué)功能，被命名為：核小體結(jié)合葉片（nucleosome-binding lobe，NBL），組蛋白尾巴結(jié)合葉片（histone-tail-binding lobe，HBL）和DNA結(jié)合葉片（DNA-binding lobe，DBL）。與BAF相比，HBL是PBAF特有的，包含特異亞基—PBRM1、PHF10和BRD7。這些亞基組織在一起，擁有11個(gè)結(jié)合組蛋白尾巴的結(jié)構(gòu)域。研究人員認(rèn)為這相當(dāng)于一個(gè)超級(jí)組蛋白識(shí)別亞模塊，有利于PBAF復(fù)合物在機(jī)體中更高效地感知染色質(zhì)信號(hào)，發(fā)揮染色質(zhì)重塑功能。這項(xiàng)工作還提出了PBAF結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子（TF），調(diào)控基因表達(dá)的可能機(jī)理。同時(shí)，這項(xiàng)工作也揭示了ARID2、PBRM1等亞基位點(diǎn)突變致病的可能機(jī)理。
值得注意的是，本研究解析的復(fù)合物中馬達(dá)亞基SMARCA4處于活性狀態(tài)。在此結(jié)構(gòu)中，我們可以清楚地看到疾病相關(guān)的突變主要位于高度保守的ATP結(jié)合口袋周?chē)托滦纬傻腂race-helix界面。Brace-helix活性界面介導(dǎo)了兩個(gè)馬達(dá)結(jié)構(gòu)域（Lobe1與Lobe2）的相互作用，是耦合ATP水解和核小體滑動(dòng)的關(guān)鍵元件，由陳柱成研究組于2017年首次在酵母染色質(zhì)重塑蛋白Snf2中發(fā)現(xiàn)。在PABF的研究工作中，他們發(fā)現(xiàn)多個(gè)與癌癥相關(guān)的SMARCA4高頻突變熱點(diǎn)就位于新形成的Brace-helix界面。而且，多個(gè)發(fā)生在旁系同源蛋白SMARCA2中與神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育缺陷相關(guān)的突變也分布在這個(gè)界面。生化實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這些位點(diǎn)的突變會(huì)顯著降低染色質(zhì)重塑活性，這提示病人的BAF/PBAF復(fù)合物功能的喪失。另外，高質(zhì)量的電鏡密度首次揭示了SMARCA4亞基的SnAc結(jié)構(gòu)域識(shí)別核小體的機(jī)制：SnAc通過(guò)3個(gè)“arginine anchor”識(shí)別核小體的酸性口袋(acidic pocket, AP)，促進(jìn)染色質(zhì)重塑活性。
這項(xiàng)工作不僅闡明了PBAF復(fù)合物組裝、核小體識(shí)別和染色質(zhì)重塑機(jī)制，而且為理解BAF/PBAF相關(guān)突變的致病機(jī)理提供了理論基礎(chǔ)。這一發(fā)現(xiàn)有利于在染色質(zhì)水平理解染色質(zhì)重塑機(jī)制，也會(huì)推動(dòng)相關(guān)疾病靶向藥物的研發(fā)。
4月27日，相關(guān)研究成果以“人源PBAF染色質(zhì)重塑復(fù)合物結(jié)合核小體的結(jié)構(gòu)”（Structure of human PBAF chromatin remodeling complex bound to a nucleosome）為題在線(xiàn)發(fā)表于《自然》（Nature）上。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院陳柱成教授為本文的通訊作者。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心2019級(jí)博士生袁俊杰和2017級(jí)博士生陳康凈為本文共同第一作者，生命學(xué)院博士后張文博（已出站）參與了重要工作。本工作獲得國(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。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04658-5
供稿：生命學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：趙存存
編輯：李華山
審核：呂婷
