清華大學生科院在Nature上發表論文闡述染色質重塑機理

　　2017年4月19日，清華大學生命科學學院陳柱成課題組和李雪明課題組合作在《自然》（Nature）雜志上以長文（Research Article）形式在線發表題為《Snf2-核小體復合物結構揭示的染色質重塑機理》（Mechanism of chromatin remodelling revealed by the Snf2-nucleosome structure）的研究論文，闡述了Snf2與底物核小體的結合方式及染色質重塑發生的機理。

　　在真核生物細胞內，DNA纏繞著組蛋白八聚體形成染色質的基本組成單位，核小體。染色質在包裝、保護遺傳物質方面發揮著關鍵作用。然而染色質形成同時對細胞內的一些生理過程，如DNA復制、轉錄、修復等產生了巨大的障礙。SWI/SNF家族染色質重塑復合物通過利用ATP水解的能量調控染色質的結構，廣泛參與調控干細胞分化、重編程、免疫應答、學習和記憶、癌癥等不同的生物學過程。染色質重塑復合物從酵母到人都保守，但其發揮功能的分子機理尚不了解，是長期存在的染色質生物學領域的基本問題。

　　陳柱成課題組于2016年在NSMB發表的論文解析了Snf2蛋白基態晶體結構，闡釋了Snf2的自抑制機理。然而該蛋白結合底物核小體的結構仍是未知。國際上其它研究組解析的染色質重塑復合物與核小體結合的結構分辨率都在～20?水平，只能從輪廓及空間大小推測核小體的結合位置，無法解析更深層次的生物學問題，如蛋白與底物核小體之間是怎樣相互作用，蛋白又是怎樣利用ATP水解的能量改變核小體結構等等這些問題都無從知曉。

　　本研究通過冷凍電鏡單顆粒技術，成功獲得了Snf2-nucleosome 分辨率為4.69 ?的電鏡結構。通過對比本實驗室之前解出的Snf2蛋白的晶體結構和復合物的電鏡結構發現，Snf2蛋白結合核小體以后，兩個主結構域( core1 and core2)之間發生了約80°的旋轉。這個巨大的構象變化產生了一個由SuppH helix和Brace helix介導的相互作用的新界面，同時把motif VI (arginine fingers)和motif I (P-loop)拉到一起，這就揭示了核小體能夠激發Snf2蛋白ATP酶活的機理。與人們以前一直認為的Snf2是插到DNA與組蛋白之間發揮功能的模型不同，結果顯示，Snf2主要通過多個保守的解旋酶motif和核小體DNA的磷酸骨架結合，這也解釋了染色質重塑復合物與DNA結合的序列非特異性，同時也揭示了一個普遍的染色質重塑蛋白與底物結合的機制。研究指出，Snf2蛋白打破局部的DNA與組蛋白的相互作用，使結合位點處的DNA發生形變。該研究推斷，ATP結合和水解，使得Snf2發生進一步結構改變，從而把這個DNA形變推送出去，這與文獻中染色質重塑的”DNA波”模型一致。這個研究解析了第一個染色質重塑蛋白與底物核小體結合的高分辨結構，首次揭示了染色質重塑的機理。

　　清華大學生命科學學院陳柱成研究員和李雪明研究員為本文的共同通訊作者；清華大學生命科學學院博士研究生劉曉玉、李美靜、夏顯為本文的共同第一作者。國家蛋白質科學研究（北京）設施清華大學冷凍電鏡平臺為數據收集提供了支持，清華大學高性能計算平臺為數據處理提供了支持。本研究獲得了清華大學結構生物學高精尖創新中心、清華－北大生命科學聯合中心、科技部、國家自然科學基金委和中組部青年千人計劃項目的支持。