科研进展-Science | 清华大学陈柱成团队捕捉ISWI滑移核小体过程的动态构象，揭示染色质重塑机理

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。

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，导致1 bp DNA隆起过渡性地储存在SHL2处，并打破DNA-组蛋白的局部相互作用。这时，ATP水解的化学能变转换成DNA形变的势能。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，DNA与组蛋白局部相互作用被破坏。（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）位于SHL2处的DNA结构对比。

该工作还发现了ISWI的多个特异调控构象：ADP⁺，ADP*⁺，ADP ^S 以及ADP ^B 。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 （DBD） 锚定不足的作用，从而稳定马达对核小体的结合，促进染色质重塑活性。相反，在ADP ^B 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）ADP ^B 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的调控状态（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，引发1 bp 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 DNA隆起向出口方向滑移，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，可以稳定在APD ⁺ 和ADP* ⁺ 构象，否则容易滑入失去活性的ADP ^S 和 ADP ^B 状态。ADPS的结构代表ATP水解的能量未有效转换为DNA形变的状态 （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/北京生物结构前沿研究中心 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。本工作获得国家自然科学基金、科技部重大科学研究计划专项、 北京生物结构前沿研究中心 、清华-北大生命科学联合中心、国家蛋白质科学研究（北京）设施清华基地的大力支持。