Life Metabolism丨陈柱成等课题组合作揭示染色质重塑蛋白Chd1调控核小体出口DNA解缠绕对DNA移位的影响

染色质重塑因子是细胞中染色质组织的主要决定因素，它们是依赖ATP的马达蛋白，能够滑动、排出、间隔和重组核小体。真核生物大多数染色质重塑复合物高度保守，参与发育、免疫反应和代谢调节等重要生理过程。染色质重塑复合物的功能通常被认为直接影响基因结构本身。这些酶包含两个保守的RecA样ATP酶马达结构域，并在ATP酶循环期间在开放和闭合构象之间转换，从而驱动DNA移位反应。为了确保染色质的正确组织，马达的DNA 移位活性由复合物内的辅助结构域和/或亚基进行调节，而这些调节机制在表观遗传学中具有重要作用。Chd1感知核外体连接体DNA并控制细胞中的核小体间距。然而，Chd1感应连接DNA的机制尚不完全清楚。

近期，清华大学生命科学学院陈柱成教授在Life Metabolism在线发表题为Regulation of DNA translocation of chromatin remodeler enzyme Chd1 by exit DNA unwrapping的研究论文。该研究解析了酵母Chd1-核小体复合物在ADP和ADP - BeFx状态下的冷冻电镜结构。发现Chd1诱导两种出口DNA的构象，即完全缠绕或部分解缠绕状态。该研究揭示了出口DNA对Chd1核小体重塑活性的抑制作用机制，为Chd1通过感知连接DNA的转位机制提供了新的视角。

值得注意的是，ADP - BeFx状态下，解缠绕的构象出口DNA与马达的一个带正电荷的环相互作用，该环被称为出口DNA结合环（EDBL），将Chd1捕获在ATP酶循环的闭合状态，表明其重塑活性受到抑制（图1）。此外，一个带正电荷的环介导了Chd1与出口DNA的相互作用，并促进了后者的解缠绕。

图 1. ADP-BeFx状态下Chd1-核小体复合物的结构

有趣的是，Chd1在ADP结合时，出口DNA解缠绕状态并没有打开主要的DNA结合间隙，而是被锁定在一个封闭的构象中，就像在ADP-BeFx结合状态下发现的那样（图2）。这与Snf2和ISWI形成鲜明对比，在Snf2和ISWI中，马达结构域在不同的核苷酸结合状态下进行协调运动，在ATP水解和磷酸盐释放时，lobe2远离二分体移动13°，lobe1向上倾斜7°远离第二股DNA螺旋。由于闭合的构象，Chd1未能在结合位点诱导预期的DNA凸起，这表明ADP结合状下态Chd1处于失活状态，和核小体部分脱离。

图 2 ADP状态下Chd1-核小体复合物的结构

因此，出口DNA结合环中带正电荷残基的突变削弱了出口DNA对Chd1核小体重塑活性的抑制作用。ADP和ATP存在下的三色smFRET数据支持这个观点，尽管核小体经历典型的DNA易位，出口DNA处于缠绕构象，出口DNA解缠绕抵抗DNA运动。因此，抑制DNA易位的不是出口DNA本身，而是未缠绕的构象。此外，研究人员还检测了EDBL在酵母细胞内的功能，结果支持细胞内核小体出口DNA的感知通过Chd1的EDBL来调控。

总之，研究人员解析了一系列Chd1在不同状态下与核小体结合的冷冻电镜结构，特别是在ADP结合状态下，出口DNA解缠绕可以抵抗Chd1的开放构象。生化实验，smFRET实验证实出口DNA通过解缠绕调节Chd1的DNA易位活性。酵母遗传实验验证了出口DNA结合环对酵母生理功能的影响。基于这些发现，本研究提出了一个新的Chd1的调控模型（图3）。当出口DNA被缠绕时，Chd1以与Snf2和ISWI基本相同的方式经历典型的重塑反应。随着越来越多的连接DNA从核小体的出口端出现，DBD在连接体区域与出口DNA结合约10 bp，并稳定了未缠绕的构象。未缠绕的出口DNA与马达的EDBL相互作用，这种相互作用反过来抑制lobe1在ADP结合状态下向上倾斜，并抑制酶的开放构象。EDBL与未缠绕的出口DNA的结合提供了一种机制，将出口连接体DNA的可用性传递给马达，起到抑制DNA易位的刹车作用。这种调节机制对于保持Chd1最高的重塑活性和细胞内核小体规律排布都是非常重要的。

图3 出口DNA解缠绕对核小体重塑的调控机制

清华大学生命科学学院陈柱成教授，已出站博士后田元元（现为首都医科大学附属北京儿童医院助理研究员），中科院物理所研究员陆颖，郑州大学医学科学院研究员叶佑丕为本文共同通讯作者。田元元、中科院物理所已毕业博士生贾琪（现为洛克菲勒大学博士后）、清华大学已毕业博士生李美静（现为深圳医学科学院研究员）为本文共同第一作者。清华大学生命科学学院李雪明副教授，博士生谢悠扬、胡鹏晶、陈康净，中科院物理所李明教授也参与了重要工作。

https://academic.oup.com/lifemeta/advance-article/doi/10.1093/lifemeta/loaf013/8109145

制版人：十一

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