染色質(zhì)纖維以四聚核小體為結(jié)構(gòu)單元的動(dòng)態(tài)組裝過程

單分子技術(shù)是研究生物分子機(jī)器動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)和功能的重要手段。中國科學(xué)院物理研究所軟物質(zhì)物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室從2002年開始逐步建立起以磁鑷和熒光光譜為主的單分子研究體系，在DNA凝聚（JACS 2006，PRL 2012）、DNA與抗癌藥物作用（NAR 2009, PRE 2015）、端粒四聯(lián)體DNA折疊（JACS 2013,ACS OMEGA 2016）以及DNA解旋酶分子機(jī)理（EMBOJ 2009，NAR 2015）等多個(gè)課題取得了系列進(jìn)展。最近，他們與中國科學(xué)院生物物理研究所李國紅課題組合作，瞄準(zhǔn)染色質(zhì)纖維動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)這一難題開展研究，發(fā)現(xiàn)“四核小體”結(jié)構(gòu)單元是染色質(zhì)折疊過程中形成的一種穩(wěn)定的中間狀態(tài)，并進(jìn)一步揭示了組蛋白伴侶FACT（Facilitates Chromatin Transcription）的調(diào)控作用。

真核生物中，基因組DNA通過逐級折疊形成染色質(zhì)并被包裹在細(xì)胞核內(nèi)；基因轉(zhuǎn)錄、復(fù)制、修復(fù)和重組等與DNA相關(guān)的生命活動(dòng)都是在染色質(zhì)這個(gè)結(jié)構(gòu)平臺(tái)上進(jìn)行的。染色質(zhì)結(jié)構(gòu)具有高度的復(fù)雜性、異質(zhì)性和動(dòng)態(tài)性。染色質(zhì)的折疊與調(diào)控包含復(fù)雜的力學(xué)過程，非常規(guī)生化和結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究手段能夠觸及。在本次合作研究中，生物物理所的研究人員成功建立了具有國際領(lǐng)先水平的染色質(zhì)體外重建系統(tǒng)，物理所的研究人員將單分子磁鑷的測量精度提高到1納米，實(shí)時(shí)跟蹤和解析了染色質(zhì)纖維組裝的動(dòng)態(tài)過程和力學(xué)基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)中通過施加約3X10-12牛頓的拉力調(diào)節(jié)染色質(zhì)纖維的力學(xué)平衡，發(fā)現(xiàn)染色質(zhì)纖維在折疊/去折疊的動(dòng)態(tài)平衡中會(huì)形成一個(gè)穩(wěn)定的四聚核小體結(jié)構(gòu)單元，并揭示了四聚核小體的兩種折疊路徑（圖1）；進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明這個(gè)結(jié)構(gòu)單元受到組蛋白伴侶FACT的調(diào)控。該研究首次實(shí)時(shí)跟蹤和解析了染色質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)調(diào)控的力學(xué)基礎(chǔ)和動(dòng)力學(xué)過程，在原有的“beads-on-a-string”初級折疊模型的基礎(chǔ)上提出了“tetranucleosomes-on-a-string”的中間態(tài)結(jié)構(gòu)模型，為后續(xù)進(jìn)一步探討各種表觀遺傳因子動(dòng)態(tài)調(diào)控染色質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)的分子機(jī)制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。