美国知名院士JACS核小体研究新进展

根据莱斯大学的一项研究表明，一个将DNA双链存储成紧凑线轴的蛋白复合物，可部分地解开自身，以帮助基因将自己呈现给专门的蛋白质和酶用以激活。研究成果发表在6月14日的《Journal of the American Chemical Society》杂志上。

　　

生物通报道：根据莱斯大学的一项研究表明，一个将DNA双链存储成紧凑线轴的蛋白复合物，可部分地解开自身，以帮助基因将自己呈现给专门的蛋白质和酶用以激活。

该研究小组详述了支持一种观点的计算机模型，即：DNA打开和核心蛋白解折叠是耦合的，而DNA打开可能不对称的发生，以暴露特定的基因。

这项关于核小体分解的研究，是由莱斯大学著名生物物理学家、美国三院院士Peter Wolynes，以及前博士后研究员张斌（音译，Bin Zhang）、博士后研究员Weihua Zheng和马里兰大学理论化学家Garegin Papoian带领完成的，发表在6月14日的《Journal of the American Chemical Society》杂志上。该研究是莱斯大学理论生物物理学中心(CTBP)的一部分工作，以理解DNA结构的细节、动态和功能。

核小体中心的线轴——DNA组织的基本单位，是组蛋白核心复合物。核小体被深埋在细胞核内。大约147个DNA碱基对(来自人类基因组的超过30亿个)，在每个组蛋白核心周围卷绕了1.7次。双螺旋结构移到下一个核周围的螺旋，中间是20到90个碱基对的连接部分。

这种结构有助于将每个细胞中一段6英尺长的DNA链，尽可能地挤压成一种紧凑的形式，同时促进链上基因的控制暴露，用以蛋白表达。

这个线轴是由两对异二聚体（连接形成核的大分子）组成。这个核是稳定的，直到沿着DNA的基因被转录因子或RNA聚合酶接触，研究人员的目标是，模拟当DNA从核上解开时发生了什么，从而使自己可以结合到外部蛋白质，或接触到链上的其他基因。

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研究人员利用他们的能量图景模型，根据核小体的组分DNA和蛋白质，来模拟核小体的分解机制。景观图展现了一种蛋白质折叠和发挥作用时所采用的所有可能形式的能量。来自能量图景理论的概念见解，已经应用在一个开放源的生物分子建模框架中，称为AWSEM Molecular Dynamics，它是由Papoian和Wolynes组联合开发的。

Wolynes说，其他大多数研究认为，当DNA打开时，组蛋白核心是刚性和不可逆转地分解。但最近的实验研究——涉及轻轻牵拉DNA链或使用荧光共振能量转移（衡量两个分子之间的能量移动），表明蛋白质核心在展开过程中是灵活的和不完全分解的。

在模拟中，研究人员发现，当DNA未卷绕时，核心改变了它的形状。他们发现，如果没有DNA，组蛋白核心在生理条件下完全是不稳定的。

他们的模拟表明，组蛋白尾巴——核心蛋白的终端区域，对于核小体的稳定起到了至关重要的作用。这些尾巴是高度带电的，并与DNA紧密结合，从而使其基因组内容直到必要时才被接触。他们的模型预测了无尾巴核小体的更快展开，如实验中看到的那样。

核小体研究是Papoian和Wolynes及其同事开展的一项更大研究的一部分，以了解DNA的力学，从它如何发挥功能，到它如何在有丝分裂过程中繁殖。Wolynes说，这项新研究和他实验室另一项关于有丝分裂期间DNA的新研究，代表了规模尺度的两个对立面。他说：“我们可以理解尺度两端的东西，但是它们之间有一个无人区。我们想要探讨的是，当今无人地带中的现象是否可被理解。”

Peter Wolynes院士带领的研究小组之前发表了一系列研究成果，2014年7月，他们以研究球状蛋白质的相同方法，成功地分析了跨膜蛋白折叠。相关研究结果发表在《PNAS》杂志。相关阅读：PNAS：揭开跨膜蛋白折叠的神秘面纱。

2015年4月，该研究小组在《PNAS》杂志，详述了一种粗粒度的方法，用其来克服在核苷酸水平分析染色体时会遇到的一些困难。相关阅读：美知名院士PNAS染色体折叠理论。

该研究小组还发现，细胞通过一种被称为分子剥离（molecular stripping）的过程，使活化转录的主调控因子从DNA上解离，同时叫停多个蛋白质的合成。这项研究发表在2015年12月的美国国家科学院院刊PNAS杂志上，挑战了数十年的分子生物学经典模型，刷新了人们对基础生物学过程的认识。相关阅读：PNAS挑战经典基因调控理论。

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Exploring the Free Energy Landscape of Nucleosomes
Abstract: The nucleosome is the fundamental unit for packaging the genome. A detailed molecular picture for its conformational dynamics is crucial for understanding transcription and gene regulation. We investigate the disassembly of single nucleosomes using a predictive coarse grained protein DNA model with transferable force fields. This model quantitatively describes the thermodynamic stability of both the histone core complex and the nucleosome, and predicts rates of transient nucleosome opening that match experimental measurements. Quantitative characterization of the free energy landscapes reveals the mechanism of nucleosome unfolding in which DNA unwinding and histone protein disassembly are coupled. The interfaces between H2A-H2B dimers and the (H3-H4)2 tetramer are first lost when the nucleosome opens releasing a large fraction but not all of its bound DNA. For the short strands studied in single molecule experiments, the DNA unwinds asymmetrically from the histone proteins, with only one of its two ends preferentially exposed. The detailed molecular mechanism revealed in this work provides a structural basis for interpreting experimental studies of nucleosome unfolding.