單分子力譜定量解析泛素修飾對基因調控研究的新進展

　　人類基因組包含大約31.6億個DNA堿基對，線性DNA分子作為龐大遺傳信息的載體一般都比較長（人類一條染色體的DNA長度約為2米），生命通過組蛋白將DNA分子有序組織壓縮形成微米級別的染色質存儲到細胞核中。核小體是染色質的結構和功能的最基本單元，其中DNA纏繞在組蛋白巴聚體周圍約兩圈，完成對DNA的第一次組裝壓縮。為了讀取基因密碼，染色質中的DNA需要時刻從組蛋白八聚體上解離，信息讀取完畢后DNA快速正確地結合組蛋白八聚體恢復染色質結構。因此染色質結構高度動態的開合是細胞核內染色質的主旋律。為了保證精確的讀取基因密碼，動態調控染色質結構，生命進化出了紛繁復雜的調控方式，比如DNA甲基化修飾，組蛋白甲基化、乙酰化、泛素化等修飾，組蛋白變體，各種染色質伴侶，多種染色質重塑因子。如何定量地描述這些調控因素對染色質的影響，是人們正確認識基因轉錄機理的關鍵所在。單分子力譜技術是精確操控生物大分子，在單分子水平上跟蹤生物大分子動態結構和化學反應的利器，幫助人們以全新的視角定量解析生物大分子的動態結構，回答以上關鍵問題。

　　中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心軟物質實驗室SM1組副研究員李偉長期從事單分子力譜技術的發展和應用，與生物學家合作在染色質動態結構和調控方面取得一系列進展（Molecular Cell 2016，2018）。最近，與首都醫科大學教授陳萍課題組以及中科院生物物理研究所研究員李國紅課題組合作，在國際上首次測量了組蛋白H2AK119泛素修飾對核小體結構的影響，并且建立了單分子系統實時觀察去泛素酶USP21敲去泛素的逆過程。利用剛剛建立的基于GPU計算的高通量高分辨單分子磁鑷力譜技術，解析了組蛋白H2AK119位置的單泛素修飾能夠鎖定DNA剝離，將核小體自由能從30kJ/mol降低至200kJ/mol，極大增強了核小體結構的穩定性。并且，進一步確定出一個H2AK119泛素修飾負責鎖定半圈核小體DNA。這部分工作直接回答了H2AK119泛素修飾在基因沉默方面發揮作用的分子機理。最后，他們實時再現了去泛素酶USP21結合核小體上，敲去H2AK119泛素的動態過程，進一步證明了組蛋白H2A泛素修飾通過鎖定DNA，阻止DNA從組蛋白八聚體上剝離，完成基因沉默的功能。相關工作發表在2020年JACS期刊，并被推薦為Top5%文章。

　　李偉和陳萍為文章的共同通訊作者，物理所博士研究生肖雪、生物物理所助理研究員劉翠芳及碩士研究生裴迎新為共同第一作者。該工作得到國家自然科學基金委、科技部和中科院前沿重點項目的資助。

圖1. 單分子力譜技術解析H2A泛素增強核小體力學穩定性。（a）核小體AFM圖像。（b）磁鑷示意圖。（c）常規核小體（上）和泛素核小體的拆解動力學。（d）拆解外力統計。（e）常規核小體折疊去折疊動態結構恒力跟蹤。（f）泛素核小體折疊去折疊動態結構恒力跟蹤。

圖2.去泛素酶USP21結合核小體動力學過程。（a）USP21結合組蛋白H2A膠圖。（b）USP21處理后的核小體回歸常規核小體狀態。（c）USP21結合雙泛素（上）和單泛素核小體（下）動力學過程。

圖3.泛素修飾增強核小體力學穩定性，實現基因沉默的調控功能。