Nature丨陈柱成/李雪明/李明组揭示SNF2介导的染色质重塑中DNA滑移的机理
责编丨迦溆
染色质重塑复合物利用ATP的能量移动核小体在基因组上的位置和组成成分，在控制染色质结构、调节基因转录等方面具有重大作用，主要可以分四大类：SWI/SNF、CHD、ISWI和INO80【1】。这些分子机器的运行机理，即如何利用ATP水解的能量推动核小体移动和组蛋白交换，一直是一个未解的科学问题。利用冷冻电镜技术，近年来对于这个问题的解答有了突飞猛进【2-6】，其中清华大学陈柱成实验室在领域也做出了重要的工作【2】。此外，美国哈佛大学Cigall Kadoch课题组在Cell上的工作还揭示了mSWI/SNF复合物的模块组织和组装通路，并分析了人类疾病相关的突变影响mSWI/SNF的分子机制【7】。（专家解读Science+Cell丨近期系列染色质重塑复合物相关重大成果）
陈柱成实验室长期从事染色质重塑的相关分子机理研究，近几年该课题组发表了一系列重要成果，包括解析了Snf2蛋白基态晶体结构，阐释了Snf2的自抑制机理【8】；解析了嗜热酵母的染色质重塑蛋白ISWI 及其与组蛋白H4复合物的原子分辨率结构，揭示了ISWI 蛋白的自抑制、被底物识别和激活以及感知接头DNA长度，进而发挥染色质组装功能的分子机理【9】；解析了第一个染色质重塑蛋白与底物核小体结合的高分辨结构，首次揭示了染色质重塑的机理【2】。
然而陈柱成课题组报道的Snf2与核小体结合的结构【2】的这个早期的工作并没有明确检测到DNA移位。 染色质重塑蛋白如何利用ATP水解的能量推动核小体滑移依然是一个让人困扰的难题。
2019年3月13日，清华大学生命科学学院陈柱成课题组、李雪明课题组以及中科院物理所李明课题组合作在Nature上发表了题为Mechanism of DNA translocation underlying chromatin remodeling by Snf2的研究论文，析了不同核苷酸状态下Snf2-核小体复合物的冷冻电镜结构，揭示了Snf2介导的染色质重塑中DNA滑移的机理。
在前期研究基础上，陈柱成与李雪明实验室合作，利用冷冻电镜技术，进一步确定了在不同核苷酸（ADP和ADP-BeFx）状态下Snf2-核小体复合物的高分辨结构（图1）。
图1 ADP（左图）和ADP-BeF（右图）状态下Snf2-核小体复合物整体结构
他们发现在一个ATPase循环过程中，Snf2存在打开-闭合的构象变化。在打开状态下，Snf2在核小体结合点(SHL2)引起1bp DNA的凸起，这个形变沿DNA链向入口端传递，使得 1bp DNA被拉入核小体。而且DNA前导链比后随链有更明显的移动，显示DNA的“扭曲－滑移”运动。ADP-BeFx的结合导致酶构象闭合，核小体恢复到自然状态，没有明显的扭曲。Snf2介导的这种DNA运动模式超出一般想象。
为了确认上述实验结果，陈柱成与中科院物理所李明实验室合作，利用单分子荧光技术(smFRET)确认了溶液状态的DNA运动与冷冻电镜结构一致。最后，研究者提出了染色质重塑的两步走”DNA波”模型（图2）：第一步，ATP水解，Snf2张开，把DNA从入口端拉进，并在SHL2处储存1bp DNA形变（“DNA波”）；第二步，ATP结合，Snf2关闭，使得DNA形变向出口端传递，就像水波沿湖面传递一样,最终实现DNA对组蛋白的相对移动。
图2 Snf2介导的核小体滑动模型
这个模型表明Snf2水解一个ATP，移动1bp DNA。同时也解释了DNA移动的方向性机制。总之，本论文解答了染色质重塑过程中DNA移位的基本原理，相信此研究结果在染色质领域会有非常广泛的影响。
据悉，清华大学生命学院陈柱成研究员、李雪明研究员以及中科院物理所李明研究员为本文共同通讯作者。清华大学生博士生李美静，夏显，田元元和刘晓玉，以及中科院物理所博士生贾棋为本文共同第一作者。
全文链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1029-2
参考文献
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3 Farnung, L., Vos, S. M., Wigge, C. & Cramer, P. Nucleosome-Chd1 structure and implications for chromatin remodelling. Nature 550, 539-542 (2017).
4 Ayala, R. et al. Structure and regulation of the human INO80-nucleosome complex. Nature 556, 391-395 (2018).
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6 Willhoft, O. et al. Structure and dynamics of the yeast SWR1-nucleosome complex. Science362(2018).
7 Mashtalir, N., D’Avino, A. R., Michel, B. C., Luo, J., Pan, J., Otto, J. E., ... & Valencia, A. M. (2018). Modular Organization and Assembly of SWI/SNF Family Chromatin Remodeling Complexes. Cell, 175(5), 1272-1288.
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9 Yan, L., Wang, L., Tian, Y., Xia, X., & Chen, Z. (2016). Structure and regulation of the chromatin remodeller ISWI. Nature, 540(7633), 466.
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