研究揭示開放核小體導致染色質鬆散的分子機制

 

常規核小體的結構包括一個由四種組蛋白H2A、H2B、H3、H4組裝而成的蛋白核心，一條在組蛋白核心上纏繞1.6圈、長度為147 bp的雙鏈DNA。核小體具有穩定的結構，對DNA組成和組蛋白修飾的改變均不敏感。組蛋白變體可改變核小體和染色質結構調控基因轉錄，在迄今測定的所有單核小體結構中，組蛋白H3變體核小體是構象改變最大的CENP-A核小體，結構顯示，CENP-A核小體包含的DNA為121 bp，但是其蛋白核心結構變化不大。組蛋白H2A變體H2A.B和H2A.Z.2.2分別在精原細胞和人腦組織中特異表達，在精子發生、轉錄起始、RNA剪切等過程中發揮重要功能。H2A.B和H2A.Z.2.2形成開放的核小體結構，並「破壞」染色質結構，導致染色質鬆散。但是這種開放的核小體極不穩定，難以獲得高精度結構。

近期，中國科學院生物物理研究所研究員周政課題組與研究員朱平課題組合作，在THE EMBO JOURNAL上，在線發表題為Structural basis of nucleosome dynamics modulation by histone variants H2A.B and H2A.Z.2.2的研究論文。該研究利用冷凍電鏡，解析分別包含組蛋白變體H2A.B和H2A.Z.2.2的核小體結構，闡明H2A變體蛋白調控核小體動態性和染色質結構開放的分子機制。

為穩定H2A.B核小體，研究人員重組表達PARP1的DNA結合結構域肽段PARP1-DBD，並將其加入H2A.B核小體，用以製備冷凍電鏡樣品。生化及電鏡結果顯示，PARP1-DBD降低核小體DNA末端波動性，但是不影響核小體結構。在此基礎上，研究人員解析解析度為2.8 ？的H2A.B核小體結構。

與常規核小體相比，H2A.B核小體的蛋白核心發生明顯構象變化，部分結構元件缺失。H2A.B-H2B二聚體間距增大，導致纏繞DNA螺距增大、核小體變得更厚。組蛋白核心上纏繞的DNA長度減少三分之一，僅為103 bp，導致其僅能纏繞蛋白核心1.2圈。此外，研究人員還解析H2A.Z.2.2核小體的3.9 ？電鏡結構，結果顯示，H2A.Z.2.2蛋白核心的構象變化與H2A.B核小體類似，但是該核心纏繞的DNA約為125 bp。Mnase酶切和八聚體組裝結果表明，H2A.B與H2A.Z.2.2的C末端存在一個由6個胺基酸殘基組成的八聚體組裝調控序列（ROF，regulating-octamer-folding），H2A.Z.2.2獨特的ROF序列可提高H2A.Z的酶促交換反應效率。該研究解析迄今發現的最為開放的核小體結構，揭示H2A.B和H2A.Z.2.2調控核小體結構變化與染色質動態性的分子機制。

朱平組助理研究員周旻和周政組博士後、特別研究助理戴霖昌為論文的共同第一作者，周政和朱平為論文的共同通訊作者。博士李成珉、博士研究生史劉歆和博士黃豔參與該研究。生物物理所生物成像中心為該研究提供冷凍電鏡研究設備和技術支持，研究工作得到國家自然科學基金、科技部國家重點研發計劃和中科院戰略性先導科技專項（B類）等的資助。(生物谷Bioon.com）