生物物理所揭示染色質組裝因子CAF1介導核小體裝配的結構基礎

在真核細胞分裂過程中，染色質結構的重新建立對于維持基因組完整性和表觀遺傳信息傳遞至關重要。DNA復制一方面破壞母鏈DNA的親本核小體，另一方面新生核小體必須在DNA子鏈上重建。染色質組裝因子CAF-1是在進化過程中保守的異源三聚體組蛋白伴侶復合物，負責將新合成的H3-H4組蛋白裝配到子鏈DNA上，完成從頭裝配的核小體組裝的第一步，即形成一個由DNA纏繞H3-H4四聚體組成的核小體組裝中間態Tetrasome（四聚小體）。

由于CAF-1與最基本生物學事件DNA復制高度耦聯，因此缺少CAF-1的結構信息制約了科學家對核小體從頭裝配機制的了解。CAF-1復合物是組蛋白伴侶研究方向中公認的難題，因其主要亞基柔性很大、結合組蛋白構象不均一、分子量偏小（復合物穩定核心不到150 kDa），以至于用X射線晶體學和冷凍電鏡技術來獲得其高分辨率三維結構均充滿挑戰性。自1989年發現CAF-1至今，國際上僅報道了約30?低分辨率的酵母Caf-1復合物負染電鏡結構，無法提供相互作用細節，導致其中許多關鍵問題長期得不到解答。中國科學院生物物理研究所許瑞明課題組長期深耕于組蛋白伴侶的結構機理研究，先后揭示了組蛋白伴侶HJURP/DAXX特異識別組蛋白變體CENP-A/H3.3的結構機理（Genes & Development 2011; Nature?Stuctural?&?Molecular?Biology 2012），解析了Asf1調控組蛋白乙酰化修飾的分子機制（Cell 2018），闡明了雙組蛋白伴侶sNASP-ASF1與Hat1乙酰化酶協同傳遞與修飾組蛋白的分子機理（Genes & Development 2021; Genes & Development 2022）。課題組經過十多年的摸索與優化，最終在CAF-1的結構與功能研究上取得了重要突破。

8月25日，許瑞明課題組聯合李國紅、朱冰課題組，在《科學》（Science）上，在線發表了題為Structural insights into histone binding and nucleosome assembly by chromatin assembly factor-1的研究長文，報道了人源染色質組裝因子CAF-1、CAF-1與組蛋白H3-H4及核小體組裝中間態Di-tetrasome等復合物一系列近原子分辨率三維結構，揭示了CAF-1結合組蛋白并介導右手螺旋核小體組裝中間態形成的結構基礎。?

該研究通過CAF-1復合物不同片段組合的大量結晶條件篩選，解析了人源CAF-1復合物核心部分3.5?的晶體結構。晶體結構顯示，CAF-1三個蛋白亞基按1:1:1的方式結合，p150大亞基猶如一根柔軟的繩子，兩端分別纏繞住球狀的p60亞基和p48小亞基。p150的ED-loop處于無序狀態，CAF-1這種靈活的架構賦予了它結合組蛋白的可塑性，方便進行組蛋白的裝配。體外生化實驗證實CAF-1核心部分仍具有較強的結合組蛋白和組裝核小體能力，但缺乏對其結合組蛋白與組裝核小體分子機理的直觀認識。進一步，研究通過長期的摸索與優化，發現了在CAF-1-H3-H4樣品中加入30-bp的DNA片段可改善樣品性質，并解析了CAF-1-H3-H4五元復合物3.5?的冷凍電鏡結構。該結構清楚地顯示了一個CAF-1復合物結合一個H3-H4異源二聚體。CAF-1大亞基p150的ED-loop此時變得有序，如同一根安全帶將組蛋白H3-H4牢牢綁住。對ED-loop突變體的體外生化和體內DNA復制偶聯核小體組裝實驗數據分析表明，ED-loop的碳端對于DNA復制偶聯的核小體組裝至關重要。CAF-1三亞基協同作用結合組蛋白H3-H4的模式非常獨特，p60擋住了H3-H4二聚體進一步形成四聚體的位置，解釋了CAF-1無法直接結合H3-H4四聚體的原因。此外，30-bp DNA的加入促使部分CAF-1-H3-H4復合物形成二聚體。研究捕獲到該二聚復合體4.6?的電鏡結構，發現該復合體中兩個H3-H4二聚體的排列方式與H3-H4四聚體中的排列類似但不完全一樣，說明DNA與CAF-1共同參與組蛋白H3-H4四聚體的形成。當加入147-bp DNA進行組裝時，研究意外地獲得了CAF-1結合右手螺旋Di-tetrasome這一核小體組裝中間態的3.8?的電鏡結構。體外單分子磁鑷實驗也證實CAF-1在生理鹽條件下可誘導右手螺旋核小體組裝中間態的形成。這種與左手螺旋的成熟核小體NCP截然相反的手性，提示在核小體組裝過程中可能存在保護性的中間步驟。

該研究厘清了CAF-1結合何種組蛋白H3-H4聚合狀態的長期爭議，捕獲到CAF-1促進組蛋白H3-H4二聚體四聚化的中間態構象，并首次發現了CAF-1誘導右手螺旋核小體組裝中間態的形成，提示了手性可能是調控核小體裝配重要手段之一，刷新了人們對核小體裝配過程的認知。

研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項和中國科學院青年創新促進會等的資助，并獲得上海同步輻射光源以及生物物理所生物成像中心和蛋白質科學平臺的技術支持。

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