周政/朱平合作揭示开放核小体导致染色质松散的分子机制学术资讯

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常规核小体的结构包括一个由四种组蛋白H2A、H2B、H3、H4组装而成的蛋白核心，一条在组蛋白核心上缠绕1.6圈，长度为147 bp的双链DNA。核小体结构非常稳定，对DNA组成和组蛋白修饰的改变均不敏感。组蛋白变体可以改变核小体和染色质结构调控基因转录，迄今为止测定的所有单核小体结构中，构象改变最大的CENP-A核小体就是组蛋白H3变体核小体，结构显示CENP-A核小体包含的DNA为121bp，但其蛋白核心结构变化不大。组蛋白H2A变体H2A.B和H2A.Z.2.2分别在精原细胞和人脑组织中特异表达，在精子发生、转录起始、RNA剪切等过程中具有重要功能。H2A.B和H2A.Z.2.2形成开放的核小体结构，并“破坏”染色质结构，导致染色质松散。但是这种开放的核小体极不稳定，难以获得高精度结构。

2020年10月19日，中国科学院生物物理研究所周政课题组与朱平课题组合作在The EMBO Journal杂志上在线发表了题为“Structural basis of nucleosome dynamics modulation by histone variants H2A.B and H2A.Z.2.2”的研究论文。该研究利用冷冻电镜解析了分别包含组蛋白变体H2A.B和H2A.Z.2.2的核小体结构，阐明了H2A变体蛋白调控核小体动态性和染色质结构开放的分子机制。

为了稳定H2A.B核小体，研究人员重组表达了PARP1的DNA结合结构域肽段PARP1-DBD，并将其加入H2A.B核小体用以制备冷冻电镜样品。生化及电镜结果表明PARP1-DBD降低了核小体DNA末端波动性，但不影响核小体结构。在此基础上研究人员解析了分辨率为2.8 Å的H2A.B核小体结构。

与常规核小体相比，H2A.B核小体的蛋白核心发生明显的构象变化，部分结构元件缺失。H2A.B-H2B二聚体的间距增大，导致缠绕DNA的螺距增大，核小体变得更厚。同时，组蛋白核心上缠绕的DNA长度大幅减少了三分之一，仅为103 bp，导致其仅能缠绕蛋白核心1.2圈。研究人员同时解析了H2A.Z.2.2核小体的3.9 Å电镜结构, 结构显示H2A.Z.2.2蛋白核心的构象变化与H2A.B核小体类似，但是该核心缠绕的DNA约为125 bp。Mnase酶切和八聚体组装结果表明H2A.B与H2A.Z.2.2的C末端存在一个由6个氨基酸残基组成的八聚体组装调控序列（ROF，regulating-octamer-folding），H2A.Z.2.2独特的ROF序列可以显著提高H2A.Z的酶促交换反应效率。总之，该研究解析了迄今发现的最为开放的核小体结构，并揭示了H2A.B和H2A.Z.2.2调控核小体结构变化与染色质动态性的分子机制。

周政研究员和朱平研究员为本文的共同通讯作者。朱平组助理研究员周旻和周政组博士后（特别研究助理）戴霖昌为共同第一作者。李成珉、史刘歆和黄艳也参与了该项研究。

图1 变体核小体结构与结构变化示意图

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