ISWI蛋白催化染色质重塑的分子机理

　　

ISWI驱动核小体在基因组DNA上滑动以重塑染色质结构，参与调控基因转录、异染色质形成、X-染色体失活及其它重要的核酸活动。然而，此前并没有高分辨的ISWI-核小体复合物的三维结构，ISWI的工作机理仍有赖于进一步的研究和阐释。

2019年3月13日，北京大学高宁课题组和清华大学陈柱成课题组合作在Nat. Struct. Mol. Biol杂志发表题为 “ISWI－核小体复合物的结构揭示出保守的染色质重塑机制” (Structures of the ISWI-nucleosome complex reveal a conserved mechanism of chromatin remodeling) 的研究论文。

在这篇文章中，研究人员采用冷冻电镜技术解析了ADP-BeFx和ADP两种状态下染色质重塑蛋白ISWI与其底物核小体结合的高分辨结构（图a-b）。通过与核小体的相互作用，ISWI催化核心core2亚基发生148°的旋转，从而解除ISWI蛋白本身的自抑制，这一结构发现揭示了核小体激活ISWI的机理（图c）。进一步对比分析ADP-BeFx和ADP状态下ISWI-核小体复合物的结构差异，作者发现ATP水解后，核小体SHL2处DNA产生了1 bp隆起（核小体DNA的分辨率达到3.3 Å）。上述两个高分辨结构展示出染色质重塑过程中“DNA波”的具体存在形式（图d），为理解ISWI发挥重塑功能的分子机理提供了结构生物学基础。

ISWI的这一功能模式与陈柱成组同期发表的关于Snf2的工作机制高度相似 (Li et al., Nature 2019，https://www.nature.com/articles/s41586-019-1029-2)，从而证明染色质重塑因子发挥功能具有一定的保守性。

图 1  ISWI－核小体复合物在不同功能状态下的高分辨结构 

(a) ADP-BeFx状态; (b) ADP 状态; (c) ISWI被核小体激活的机理；(d) ISWI（ADP）引起的DNA形变；(e) ISWI作用下，组蛋白核心保持正常结构；(f) 组蛋白形变不是ISWI介导的染色质重塑的必须条件。

值得一提的是，2016年有文献报道ISWI结合核小体之后诱使组蛋白核心发生了扭曲，这种形变为ISWI发挥染色质重塑功能所必需，此假说引起了领域内的广泛关注。但高分辨的结构表明核小体组蛋白并未产生形变，本工作亦进一步通过更温和、彻底的蛋白交联实验证明ISWI发挥染色质重塑过程不依赖于组蛋白变形（图f）。

清华大学陈柱成研究员和北京大学高宁教授为本文的共同通讯作者，清华大学生命科学学院2014级博士生严丽娟（陈柱成组）和2014级PTN博士生吴昊（高宁组）为论文的共同一作。北京大学电镜实验室李雪梅博士参与了数据的收集工作。该研究得到国家重大研发计划、国家自然科学基金委、北京市高精尖结构生物学中心和生命联合中心项目的经费支持，以及北京大学电镜实验室（冷冻电镜平台）、北京大学高性能计算中心、清华大学电镜平台和计算平台的工作支持。

原文标题：

Structures of the ISWI-nucleosome complex reveal a conserved mechanism of chromatin remodeling

https://www.nature.com/articles/s41594-019-0199-9