董愛武和沈文輝團隊合作揭示組蛋白分子伴侶OsChz1調(diào)控染色質結構的分子機制
2020年11月11日，董愛武和沈文輝團隊于《自然通訊》(Nature Communications)，在線發(fā)表題為“OsChz1 acts as a histone chaperone in modulating chromatin organization and genome function in rice”的研究論文，揭示了水稻組蛋白分子伴侶OsChz1調(diào)控染色質結構與基因表達的分子機制。
染色質是真核生物承載遺傳和表觀遺傳信息的載體，核小體是染色質的基本結構和功能單位，由145-147bp的DNA雙鏈以左手螺旋環(huán)繞核心組蛋白八聚體構成。真核生物DNA復制、轉錄與修復一直伴隨著核小體的組裝/去組裝過程，該過程需要依賴組蛋白分子伴侶的幫助。已有的研究發(fā)現(xiàn)酵母Chz1是組蛋白變體 H2A.Z特異的組蛋白分子伴侶，系統(tǒng)進化樹分析顯示在酵母、真菌、植物及動物中都存在Chz1同源蛋白，但目前對Chz1蛋白的功能研究僅在酵母中被報道。
為了解析高等生物Chz1同源蛋白的功能，董愛武和沈文輝團隊對水稻OsChz1進行了比較深入的研究。通過體外結合實驗，發(fā)現(xiàn)OsChz1既能結合常規(guī)組蛋白 H2A-H2B也能結合組蛋白變體H2A.Z-H2B，而且OsChz1的C端（OsChz1-C）更偏愛結合H2A-H2B。OsChz1-H2A-H2B復合物晶體結構顯示：H2A-H2B參與結合 OsChz1 的位點在H2A和H2A.Z中都很保守，而且主要的結合位點位于H2B。為了研究OsChz1的生物學功能，通過基因敲除獲得了多個水稻oschz1突變體，發(fā)現(xiàn)OsChz1的缺失會導致水稻多種生長發(fā)育缺陷。MNase-seq和ChIP-seq分析發(fā)現(xiàn):突變體oschz1與野生型相比，核小體密度在基因組范圍內(nèi)整體下降，組蛋白變體H2A.Z的分布也明顯下降，表明OsChz1可能同時參與DNA復制依賴型和非DNA復制依賴型兩種核小體組裝過程。MNase-seq/ChIP-seq結合RNA-seq分析發(fā)現(xiàn)，核小體密度和H2A.Z的富集水平與基因表達呈負相關關系。另外，ChIP-seq分析還發(fā)現(xiàn)OsChz1蛋白在基因組的分布與H2A.Z及轉錄抑制標記H3K27me3和H3K4me2一致，與轉錄激活標記H3K4me3和H3K36me3不同。綜上所述，該研究證明水稻OsChz1作為H2A-H2B和 H2A.Z-H2B共同的分子伴侶，通過調(diào)控核小體的密度及組蛋白變體H2A.Z的分布，動態(tài)調(diào)控高等真核生物的染色質結構，進而調(diào)控其發(fā)育過程。
a. OsChz1缺失導致水稻多種生長發(fā)育缺陷；b. OsChz1-H2A-H2B復合物的晶體結構
c. OsChz1缺失導致全基因組范圍核小體密度的下降；d. OsChz1缺失導致全基因組范圍H2A.Z的富集水平下降
董愛武和沈文輝團隊的博士研究生杜康兮、羅強和尹劉翻為本文的共同第一作者，董愛武教授與沈文輝教授為共同通訊作者，晶體結構分析由甘建華教授指導，該研究工作由自然科學基金委和復旦大學遺傳工程國家重點實驗室資助。
全文鏈接：www.nature.com/articles/s41467-020-19586-z
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