清華大學(xué)陳柱成、北京大學(xué)高寧合作在《自然結(jié)構(gòu)與分子生物學(xué)》發(fā)表論文揭示ISWI蛋白催化染色質(zhì)重塑的分子機(jī)理
2019年3月13日，清華大學(xué)陳柱成課題組和北京大學(xué)高寧課題組合作在《自然結(jié)構(gòu)與分子生物學(xué)》（Nat. Struct. Mol. Biol）雜志發(fā)表題為“ISWI－核小體復(fù)合物結(jié)構(gòu)揭示一種保守的染色質(zhì)重塑機(jī)理”（“Structures of the ISWI-nucleosome complex reveal a conserved mechanism of chromatin remodeling”）的研究論文。該工作采用冷凍電鏡手段，解析了不同功能狀態(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)，揭示了ISWI與Snf2保守的催化核小體滑移的機(jī)制，推翻了染色質(zhì)重塑的組蛋白形變假說。
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染色質(zhì)活動。然而，此前沒有高分辨的ISWI-核小體復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)，人們對于ISWI的工作機(jī)理的尚不清楚。
陳柱成課題組在2016年分析了ISWI在沒有結(jié)合核小體時的自抑制機(jī)理（Yan，Nature 2016）。在這基礎(chǔ)上，本研究解析了ADP-BeFx和ADP狀態(tài)下ISWI-核小體復(fù)合物的高分辨結(jié)構(gòu)（圖a-b）。結(jié)合核小體之后，ISWI的催化核心發(fā)生148°的旋轉(zhuǎn)，解除ISWI蛋白的自抑制，這揭示了核小體激活I(lǐng)SWI的機(jī)理（圖c）。通過對比ADP-BeFx和ADP狀態(tài)下ISWI-核小體復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，他們發(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 
），展示了染色質(zhì)重塑過程中“DNA波”的具體存在形式（圖d）。這與Snf2高度相似。
有文獻(xiàn)報(bào)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。組蛋白形變假說引起了領(lǐng)域內(nèi)的廣泛關(guān)注。然而，本研究并沒有發(fā)現(xiàn)組蛋白形變（圖e）。而且通過更溫和、徹底的蛋白交聯(lián)，作者發(fā)現(xiàn)ISWI發(fā)揮染色質(zhì)重塑過程不依賴的組蛋白扭曲（圖f）。這個工作與陳柱成實(shí)驗(yàn)室同期的有關(guān)Snf2的研究一起(Li, Nature 2019)，提出了一個高度保守的染色質(zhì)重塑普適機(jī)理。
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)院博士生嚴(yán)麗娟和PTN博士生吳昊為論文的共同一作。該研究得到國家重大研發(fā)計(jì)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(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)支持，以及清華大學(xué)電鏡平臺和計(jì)算平臺、北京大學(xué)電鏡實(shí)驗(yàn)室（冷凍電鏡平臺）以及北京大學(xué)高性能計(jì)算中心的工作支持。
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(jī)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。
論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41594-019-0199-9
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