生命中心李雪明研究組和清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院陳柱成研究組合作在《自然》（Nature）雜志上以長文（Research Article）形式在線發(fā)表題為《Snf2- 核小體復(fù)合物結(jié)構(gòu)揭示的染色質(zhì)重塑機(jī)理》（Mechanism of chromatin remodelling revealed by the Snf2-nucleosome structure）的研究論文，闡述了 Snf2 與底物核小體的結(jié)合方式及染色質(zhì)重塑發(fā)生的機(jī)理。

在真核生物細(xì)胞內(nèi)，DNA 纏繞著組蛋白八聚體形成染色質(zhì)的基本組成單位，核小體。染色質(zhì)在包裝、保護(hù)遺傳物質(zhì)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而染色質(zhì)形成同時對細(xì)胞內(nèi)的一些生理過程，如 DNA 復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、修復(fù)等產(chǎn)生了巨大的障礙。SWI/SNF 家族染色質(zhì)重塑復(fù)合物通過利用 ATP 水解的能量調(diào)控染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)，廣泛參與調(diào)控干細(xì)胞分化、重編程、免疫應(yīng)答、學(xué)習(xí)和記憶、癌癥等不同的生物學(xué)過程。染色質(zhì)重塑復(fù)合物從酵母到人都保守，但其發(fā)揮功能的分子機(jī)理尚不了解，是長期存在的染色質(zhì)生物學(xué)領(lǐng)域的基本問題。

陳柱成研究組于 2016 年在 NSMB 發(fā)表的論文解析了 Snf2 蛋白基態(tài)晶體結(jié)構(gòu)，闡釋了 Snf2 的自抑制機(jī)理。然而該蛋白結(jié)合底物核小體的結(jié)構(gòu)仍是未知。國際上其它研究組解析的染色質(zhì)重塑復(fù)合物與核小體結(jié)合的結(jié)構(gòu)分辨率都在～20 ?水平，只能從輪廓及空間大小推測核小體的結(jié)合位置，無法解析更深層次的生物學(xué)問題，如蛋白與底物核小體之間是怎樣相互作用，蛋白又是怎樣利用 ATP 水解的能量改變核小體結(jié)構(gòu)等等這些問題都無從知曉。

本研究通過冷凍電鏡單顆粒技術(shù)，成功獲得了 Snf2-nucleosome 分辨率為 4.69 ?的電鏡結(jié)構(gòu)（圖 a）。通過對比本實(shí)驗室之前解出的 Snf2 蛋白的晶體結(jié)構(gòu)和復(fù)合物的電鏡結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，Snf2 蛋白結(jié)合核小體以后，兩個主結(jié)構(gòu)域 (core1 and core2) 之間發(fā)生了約 80°的旋轉(zhuǎn)。這個巨大的構(gòu)象變化產(chǎn)生了一個由 SuppH helix 和 Brace helix 介導(dǎo)的相互作用的新界面，同時把 motif VI (arginine fingers)和 motif I (P-loop)拉到一起，這就揭示了核小體能夠激發(fā) Snf2 蛋白 ATP 酶活的機(jī)理。與人們以前一直認(rèn)為的 Snf2 是插到 DNA 與組蛋白之間發(fā)揮功能的模型不同，結(jié)果顯示，Snf2 主要通過多個保守的解旋酶 motif 和核小體 DNA 的磷酸骨架結(jié)合，這也解釋了染色質(zhì)重塑復(fù)合物與 DNA 結(jié)合的序列非特異性，同時也揭示了一個普遍的染色質(zhì)重塑蛋白與底物結(jié)合的機(jī)制。研究指出， Snf2 蛋白打破局部的 DNA 與組蛋白的相互作用，使結(jié)合位點(diǎn)處的 DNA 發(fā)生形變。該研究推斷，ATP 結(jié)合和水解，使得 Snf2 發(fā)生進(jìn)一步結(jié)構(gòu)改變，從而把這個 DNA 形變推送出去，這與文獻(xiàn)中染色質(zhì)重塑的”DNA 波”模型一致。這個研究解析了第一個染色質(zhì)重塑蛋白與底物核小體結(jié)合的高分辨結(jié)構(gòu)，首次揭示了染色質(zhì)重塑的機(jī)理（圖 b）。

李雪明和陳柱成為本文的共同通訊作者；清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士研究生劉曉玉、李美靜、夏顯為本文的共同第一作者 （圖 c）。國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（北京）設(shè)施清華大學(xué)冷凍電鏡平臺為數(shù)據(jù)收集提供了支持，清華大學(xué)高性能計算平臺為數(shù)據(jù)處理提供了支持。本研究獲得了清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心、生命科學(xué)聯(lián)合中心、科技部、國家自然科學(xué)基金委和中組部青年千人計劃項目的支持。