Nat. Struct. Mol. Biol |高寧課題組與合作者揭示ISWI蛋白催化染色質(zhì)重塑的分子機理
2019年3月13日，北京大學(xué)高寧課題組和清華大學(xué)陳柱成課題組合作在Nat. Struct. Mol. Biol雜志發(fā)表題為 “ISWI－核小體復(fù)合物的結(jié)構(gòu)揭示出保守的染色質(zhì)重塑機制” (Structures of the ISWI-nucleosome complex reveal a conserved mechanism of chromatin remodeling) 的研究論文。
ISWI驅(qū)動核小體在基因組DNA上滑動以重塑染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，參與調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄、異染色質(zhì)形成、X-染色體失活及其它重要的核酸活動。然而，此前并沒有高分辨的ISWI-核小體復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)，ISWI的工作機理仍有賴于進(jìn)一步的研究和闡釋。
本工作采用冷凍電鏡技術(shù)解析了ADP-BeFx和ADP兩種狀態(tài)下染色質(zhì)重塑蛋白ISWI與其底物核小體結(jié)合的高分辨結(jié)構(gòu)（圖a-b）。通過與核小體的相互作用，ISWI催化核心core2亞基發(fā)生148°的旋轉(zhuǎn)，從而解除ISWI蛋白本身的自抑制，這一結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)揭示了核小體激活I(lǐng)SWI的機理（圖c）。進(jìn)一步對比分析ADP-BeFx和ADP狀態(tài)下ISWI-核小體復(fù)合物的結(jié)構(gòu)差異，作者發(fā)現(xiàn)ATP水解后，核小體SHL2處DNA產(chǎn)生了1 bp隆起（核小體DNA的分辨率達(dá)到3.3 Å）。上述兩個高分辨結(jié)構(gòu)展示出染色質(zhì)重塑過程中“DNA波”的具體存在形式（圖d），為理解ISWI發(fā)揮重塑功能的分子機理提供了結(jié)構(gòu)生物學(xué)基礎(chǔ)。ISWI的這一功能模式與陳柱成組同期發(fā)表的關(guān)于Snf2的工作機制高度相似 (Li et al., Nature 2019，https://www.nature.com/articles/s41586-019-1029-2)，從而證明染色質(zhì)重塑因子發(fā)揮功能具有一定的保守性。
圖 1 ISWI－核小體復(fù)合物在不同功能狀態(tài)下的高分辨結(jié)構(gòu)
(a) ADP-BeFx狀態(tài); (b) ADP 狀態(tài); (c) ISWI被核小體激活的機理；(d) ISWI（ADP）引起的DNA形變；(e) ISWI作用下，組蛋白核心保持正常結(jié)構(gòu)；(f) 組蛋白形變不是ISWI介導(dǎo)的染色質(zhì)重塑的必須條件。
值得一提的是，2016年有文獻(xiàn)報道ISWI結(jié)合核小體之后誘使組蛋白核心發(fā)生了扭曲，這種形變?yōu)镮SWI發(fā)揮染色質(zhì)重塑功能所必需，此假說引起了領(lǐng)域內(nèi)的廣泛關(guān)注。但高分辨的結(jié)構(gòu)表明核小體組蛋白并未產(chǎn)生形變，本工作亦進(jìn)一步通過更溫和、徹底的蛋白交聯(lián)實驗證明ISWI發(fā)揮染色質(zhì)重塑過程不依賴于組蛋白變形（圖f）。
清華大學(xué)陳柱成研究員和北京大學(xué)高寧教授為本文的共同通訊作者，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2014級博士生嚴(yán)麗娟（陳柱成組）和2014級PTN博士生吳昊（高寧組）為論文的共同一作。北京大學(xué)電鏡實驗室李雪梅博士參與了數(shù)據(jù)的收集工作。該研究得到國家重大研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、北京市高精尖結(jié)構(gòu)生物學(xué)中心和生命聯(lián)合中心項目的經(jīng)費支持，以及北京大學(xué)電鏡實驗室（冷凍電鏡平臺）、北京大學(xué)高性能計算中心、清華大學(xué)電鏡平臺和計算平臺的工作支持。
論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41594-019-0199-9
相關(guān)鏈接： https://www.nature.com/articles/s41586-019-1029-2
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