Cohesin如何帮助DNA环挤出？

撰文 | 十一月

基因组DNA折叠形成环状以及拓扑关联结构域（Topologically associating domains，TADs），从而组成了基因组复杂的三维结构，这些三维结构具有重要的结构和调控作用。先前的研究已经逐渐揭示出基因组结构是由染色体结构维持SMC（Structural maintenance of chromosomes）蛋白复合物所介导的环挤出（DNA loop extrusion）过程形成的【1】（图1）。单分子层面的研究表明SMC蛋白复合体和Cohesin蛋白的确能够将DNA挤压形成环状。因此，关于基因组的三维结构形成研究者们提出了“环挤出假说”，认为染色体结构维持的SMC复合物组织就基因组的拓扑结构，并通过环挤出来实现这一功能。但是这一过程的具体细节是如何进行的还不得而知。

图1 DNA 环挤出过程

近日，奥地利维也纳生物中心Jan-Michael Peters研究组发文题为Cohesin mediates DNA loop extrusion by a ‘‘swing and clamp’’ mechanism，环挤压过程需要DNA结合结构域以及基因组中的大规模构象变化，作者们确认了这些步骤以及构象变化的协调过程，并分析了Cohesin蛋白与NIPBL复合物所介导的环挤出关键结构域，揭开了间期的细胞染色质折叠具体分子机理。

目前，一些体外的生化重构实验一定程度上已经证实了环挤出假说，这些结果证明SMC蛋白与Cohesin蛋白会以2.1kb/s的速度挤压DNA，并且这一过程依赖于ATP酶活性（图2）【2,3】。但囿于实验分辨率等问题，环挤出的过程是如何实现的具体细节还不得而知。不过，研究者们关于此现象提出了一些可能的模型，比如在“行走模型”与“尺蠖模型”中，研究者们假设SMC复合物利用其ATP酶活性的头部沿着DNA以类似于细胞骨架蛋白沿着微管运动的方式行走【4,5】。而“压力泵模型”指出DNA通过环绕的方式排列与ATP酶活性的头部分离，从铰链位置发生易位而被挤出【6】。但是这些模型的实验证据支持是很有限的，想要从中去伪存真需要非常严格的检测。

图2 Cohesin蛋白与NIPBL的作用示意图

体外的一些实验表明Cohesin复合体中的组分可以结合DNA以及ATP酶活性的头部，但是这些DNA结合结构域对于DNA环挤出是否重要并不清楚。为此，作者们将构建了Cohesin复合体与NIPBL结合的复合体，并将其中一些DNA结合结构域进行突变，通过全内反射荧光（Total internal reflection fluorescence，TIRF）显微镜对环挤出过程进行可视化，从而确认这些DNA结合位点在环挤出过程中的作用。另外通过对分离到的重组内聚蛋白结构域和亚基进行电泳迁移位移（Electrophoretic mobility shift assays，EMSAs）分析，作者们发现表明STAG1和NIPBL的铰链、ATP酶活性头部等均可以结合DNA。与蛋白颗粒电镜结果相一致的是，NIPBL会在接触到DNA的时候将DNA夹到ATP酶的头部7。DNA结合位点突变后仍然可以促进ATP的水解，但是速率会低。实验的结果表明Cohesin-NIPBL复合体中至少包括五个DNA结合结构域对于环挤出是必须的（图2中的黑色点标记的即为关键DNA结合结构域）。SMC1头部、铰链和STAG1上的DNA结合结构域在环挤压中发挥作用，可能是帮助DNA环挤出过程的进行。

那么DNA环挤出过程中具体的构象变化是如何发生的呢？为了揭开这一过程的全貌，作者们应用了高速原子力显微镜（High-speed atomic force microscopy，HS-AFM）对Cohesin进行了实时成像。

图3 DNA环挤出“摆-夹”（‘‘Swing and clamp’’）模型

在ATP存在的情况下的，Cohesin三聚体复合物中会在环状、杆状以及弯曲状构象之间的变化。作者们发现DNA是通过Cohesin蛋白铰链的弯曲进而易位的，这样将DNA转移到SMC3的ATP酶活性头部，在该位置与ATP结合，DNA被NIPBL夹住。在此过程中NIPBL从铰链向SMC3头部移动，引发铰链区域的自发摆动以及ATP依赖的DNA结合，从而形成一个循环，使得DNA从铰链延伸到SMC3的头部，在此循环周期的末尾，DNA片段可以转移到SMC1的头部。由此，作者们提出了DNA环挤出的“摆-夹”（‘‘Swing and clamp’’）模型，这类似于抓娃娃机的小爪子，可以将通过铰链的弯曲伸出机械手“抓住”DNA，然后上提，从而通过一次次循环促使DNA逐步环挤出。

总的来说，作者们通过高分辨率的实时成像实现了对Cohesin促使的DNA环挤出过程的全纪录，从而能够将DNA从一个结合位点带到另一个结合位点，揭开了SMC复合体进行基因组的折叠的以及促进复杂基因组三维拓扑结构形成的机制。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.09.016

制版人：十一

参考文献

1 Davidson, I. F. & Peters, J. M. Genome folding through loop extrusion by SMC complexes. Nature reviews. Molecular cell biology 22, 445-464, doi:10.1038/s41580-021-00349-7 (2021).

2 Davidson, I. F. et al. DNA loop extrusion by human cohesin. Science (New York, N.Y.) 366, 1338-1345, doi:10.1126/science.aaz3418 (2019).

3 Kim, Y., Shi, Z., Zhang, H., Finkelstein, I. J. & Yu, H. Human cohesin compacts DNA by loop extrusion. Science (New York, N.Y.) 366, 1345-1349, doi:10.1126/science.aaz4475 (2019).

4 Fudenberg, G. et al. Formation of Chromosomal Domains by Loop Extrusion. Cell reports 15, 2038-2049, doi:10.1016/j.celrep.2016.04.085 (2016).

5 Nichols, M. H. & Corces, V. G. A tethered-inchworm model of SMC DNA translocation. Nature structural & molecular biology 25, 906-910, doi:10.1038/s41594-018-0135-4 (2018).

6 Diebold-Durand, M. L. et al. Structure of Full-Length SMC and Rearrangements Required for Chromosome Organization. Molecular cell 67, 334-347.e335, doi:10.1016/j.molcel.2017.06.010 (2017).

7 Collier, J. E. et al. Transport of DNA within cohesin involves clamping on top of engaged heads by Scc2 and entrapment within the ring by Scc3. eLife 9, doi:10.7554/eLife.59560 (2020).

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