上海
DNA缠绕组蛋白八聚体形成的核小体是染色质的基本单元。染色质重塑蛋白（chromatin remodeler）利用ATP水解的能量移动核小体，从而调节染色质结构与基因表达。染色质重塑蛋白包含4个主要家族：SWI/SNF，ISWI，CHD和INO80，它们具有多种生物学功能。其中，SWI/SNF帮助形成开放的染色质，促进基因表达；而ISWI则感知接头DNA的长度，促进等间距核小体阵列排布，推动紧密染色质结构形成。不同的染色质重塑蛋白具有高度保守的马达结构域（motor domain），是染色质重塑反应的核心。而过度的染色质重塑反应需被抑制，从而避免破坏染色质结构。染色质重塑马达如何克服核小体中组蛋白与DNA的相互作用，滑移核小体的机理并不完全清楚。
北京时间2024年4月4日，清华大学生命科学学院陈柱成教授在Science在线发表题为
Structural
insights into chromatin remodeling by ISWI during active ATP hydrolysis的研究论文。过往的结构研究可能由于使用不能被水解的核苷酸底物，只捕捉到三种染色质重塑状态（ATP，ADP和Apo）。这个最新的研究使用ATP维持DNA滑移，让马达蛋白经历重塑循环中所有可能的构象。研究人员设计了不同浓度ATP实验条件，富集不同状态下的构象，并通过冷冻电子显微镜技术，首次从ATP水解过程中解析出ATP、ADP、ADP*、ADP⁺、ADP*⁺、Apo、Apo*、ADPS和ADPB等九种ISWI 结合核小体的动态结构（分辨率2.3-3.0 Å）。这九种结构共同组成了迄今最完整的染色质重塑循环模型，为解释染色质重塑中的DNA滑移和刹车机制奠定了基础。
研究人员发现ISWI马达蛋白在核小体内部（SHL2）引起1 bp DNA隆起（图1）。这个全新构像被命名为ADP*，有别于经典ADP 状态下的1/2 bp DNA形变。ADP*构象中，DNA双链同时从入口端向核小体内部滑移1 bp。而且，1 bp DNA隆起使得DNA链与组蛋白的相互作用被破坏。这一现象与两种被广泛关注的染色质重塑机制存在冲突。这既不同于“扭曲传播”（twist diffusion）模型中DNA-组蛋白相互作用保持完整的情况，也有别于“环传播”（loop propagation）模型中多个相邻位点相互作用同时被破坏的特征。ADP*状态的发现找到了染色质重塑循环中缺失的关键拼图，提示一种新的DNA形变传播模式。
图1 存储1 bp DNA隆起的ADP*状态结构。（A）ADP*状态下，DNA隆起的电镜密度图。（B）局部DNA-组蛋白相互作用分析。ATP状态，灰色；ADP*状态，彩色。在ADP*状态下，局部DNA与组蛋白相互作用被破坏。（C）相对于ATP状态，ADP*状态的DNA磷酸骨架位移距离热图。ADP*状态下，两股DNA链从入口端向核小体内部移动（箭头方向），1 bp DNA形变储存在SHL2位置。（D）ATP状态（灰色）与ADP*状态（彩色）的局部DNA结构对比。
该工作还发现了ISWI的多个特异调控构象：ADP⁺，ADP*⁺，以及ADPB。ADP⁺和ADP*⁺具有正向调控元件：RYA（arginine-tyrosine anchor）和PosC（图 2A-C）。ADP⁺和ADP*⁺构象常见于核小体接头DNA较短一侧，可能起到弥补 DNA结合结构域（DNA binding domain，DBD）锚定不足的作用，从而促进染色质重塑活性。相反，在ADPB 状态下，正向调控元件作用消失，而新生成的 Brake 元件通过变构作用，导致马达蛋白异常开放，从而落入失活状态（图2D-E）。据此，研究人员提出了染色质重塑的刹车机制，阐明了ISWI 家族特异的接头 DNA 感知机制。
图2 ISWI调控状态的结构。（A）ISWI结构域示意图。（B）ADP+的PosC（深蓝）结构。（C）ADP+的RYA结构。上图展示组蛋白表面电势。（D）ADPB的结构，Brake（橙色）。（E）ISWI的核小体滑移（居中）活性分析。野生型（WT）ISWI感知接头DNA长度，使核小体从DNA末端滑移至中间位置，产生迁移较慢条带。三种Brake作用的突变体，破坏ISWI 感知接头DNA长度的能力，从而形成迁移较快条带。
研究人员综合所获得的九种构像，提出一个多步骤染色质重塑模型，包括核心的重塑循环和外围调控状态（图 3）。在核心重塑循环中，ATP 水解释放无机磷酸，马达经历ATP至ADP构像转变，并在 SHL2 位置引发 1/2 bp 的 DNA 形变。马达蛋白进一步倾转，进入ADP* 状态，在SHL2位置引发1 bp的DNA隆起。随后，ADP*马达蛋白在整体构像不变的情况下释放ADP，进入Apo*状态。新一轮ATP结合促使马达蛋白闭合，马达的定向运动推动DNA链前移，防止DNA逆滑。同时，马达内部结构发生调整，释放与DNA链的紧密接触，使1 bp的DNA隆起向核小体对称中心（dyad）滑移，DNA恢复松弛状态。染色质重塑的分子动画见陈柱成实验室主页连接（www.chenlab.com）。
染色质重塑周期中，DNA在ADP 和ADP* 状态下发生形变，使体系处于高能状态，这是调控染色质重塑活性的关键节点。马达在RYA和PosC作用下，采取APD+ ADP+* 构象，否则容易滑入失去活性的ADPS 和 ADPB 状态。ADPS的结构代表ATP水解后能量未有效转换为DNA滑移的状态（打滑状态）。未来需要更多研究分析能量的转换效率。当核小体滑移使得接头DNA变得较短时，DBD失去锚定位点，马达蛋白刹车，进入ADPB状态，从而避免过度的染色质重塑，实现对接头DNA长度的应答。总之，作者认为核心重塑循环是各染色质重塑蛋白中普遍通用的 DNA 滑移机制，而外围调控层则为 ISWI 家族特有。
图3 染色质重塑DNA滑移和调控模型
值得一提的是，美国的Mario Halic团队几乎同期解析了人源ISWI（SNF2H）ATP水解过程中的动态结构（预印本，见延伸阅读），证实SHL2储存1 bp DNA隆起的构像在染色质重塑中的普适性。
清华大学生命科学学院陈柱成教授为本文通讯作者，清华大学生命科学学院2020级博士生谢悠扬和博士后潘涵为共同第一作者，博士后陈康净也参与了重要工作。
http://doi.org/10.1126/science.adu5654
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0968000419301963?via%3Dihub
https://www.nature.com/articles/s41594-019-0199-9
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1029-2
https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.12.31.630910v1
制版人： 十一
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