H2A.Z造成染色質結構發生變化

　　染色質結構變化影響基因表達開放和關閉，核小體組成的變化是造成染色質結構變化的主要方式之一（詳見BioArt報道：EMBO J | 周政/朱平合作揭示開放核小體導致染色質松散的分子機制）。在染色質重塑復合物SWR酶體的催化下，組蛋白變體H2A.Z對染色質特定區域的常規組蛋白H2A 進行替換，從而造成該區域的染色質結構發生變化。H2A.Z的重要生物學功能嚴格依賴H2A.Z對H2A的正確替換。

　　SWR酶體催化的H2A.Z替換反應是單向的染色質組裝反應。該過程將H2A.Z核小體精準定位到特定的染色質區域，因此也被稱為“核小體編輯”。中科院生物物理所周政課題組近年來圍繞H2A.Z的染色質組裝開展了系統研究，先后探明了SWR酶體介導H2A.Z進入核小體，以及將H2A移出核小體（詳見BioArt報道：PNAS| 周政組揭示H2A.Z染色質組裝的新機制）的過程；發現了組蛋白伴侶介導H2A.Z進行染色質遞送，以及染色質移除的方式，初步闡明了SWR酶體與組蛋白形式的H2A.Z進行作用的分子機制。然而，僅有組蛋白形式的H2A.Z并不能激活SWR酶體進行H2A.Z替換，H2A.Z替換還需要H2A核小體這個關鍵的激活因子。SWR酶體識別H2A核小體以確保反應的進行的內在機制尚不清楚。

　　2021年5月25日，周政課題組與中科院物理所李偉課題組合作在Cell Reports雜志上發表了論文

　　Recognition of inherently unstable H2A-nucleosome by Swc2 is a major determinant for unidirectional H2A.Z exchange。

　   該項研究發現酵母SWR1的重要亞基Swc2具備特異識別并感知底物H2A核小體的能力，從而揭示了SWR1催化H2A.Z連續替換H2A反應單向性的分子機理。

　　在該研究中，研究人員首先利用溶液核磁共振技術鑒定出SWR1重要亞基Swc2的N端結構域（Swc2-Z）可以特異識別底物H2A核小體，并發現Swc2-Z通過其高度保守的RXXR基序與核小體酸性口袋相互作用。隨后，研究人員利用單分子磁鑷技術系統研究了H2A核小體與H2A.Z核小體的去組裝/組裝動力學過程，以及Swc2對該過程的影響。研究人員發現底物H2A核小體的結構穩定性顯著低于H2A.Z核小體，同時Swc2-Z可以特異感知處于低穩定性的H2A核小體，并具備促進其去組裝的能力。在此基礎上，通過單分子磁鑷、X射線晶體學、凝膠遷移、以及熱穩定性測定等實驗，研究人員證實位于H2A M4區域的三個H2A特有殘基（G47、P49和I63）調控H2A核小體處于低穩定性水平，并在Swc2介導的H2A核小體去組裝中發揮關鍵作用，將其替換為H2A.Z的對應殘基后會破壞Swc2介導的H2A核小體去組裝。體內與體外實驗表明，Swc2-Z對于SWR1的催化活性，以及H2A.Z在轉錄起始位點的定位都具有重要作用。該研究提示，在SWR1復合物催化H2A.Z交換反應起始狀態，Swc2-Z識別并感知具有內在低穩定性的H2A核小體，從而確保H2A.Z交換反應單向進行（圖1）。此外，Swc2在高等真核細胞中的同源蛋白YL1能夠發揮同樣的功能，說明該機制在不同物種中具有保守性。本研究為闡明SWR酶體的功能以及“核小體編輯”的機制提供了重要基礎。

　　圖1. Swc2識別穩定性低的H2A核小體并促進其開放并實現H2A.Z交換

　　中科院生物物理所周政研究員與中科院物理所李偉副研究員位本文的共同通訊作者。周政課題組戴霖昌博士與李偉課題組肖雪博士為本文的共同第一作者。周政課題組助理研究員潘露博士和馮曉莉博士也參與了該項研究。中科院生物物理所朱冰研究員和張珠強研究員為本研究提供了重要幫助。