中國科學家解析PBAF復合物結合核小體結構

2022-04-29 14:21:51
中國科學報 發布時間:2022/4/29 14:09:55
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中國科學家解析PBAF復合物結合核小體結構

 

BAF/PBAF復合物是人類染色質調控因子家族成員,它們的作用就像“看門人”,影響人類基因的最終表現。近年來,科學家發現該復合物的突變與超過20%的癌癥及多種神經系統發育缺陷有關。

清華大學陳柱成教授團隊采用冷凍電鏡的先進方法,揭示出PBAF復合物的組裝方式和其識別核小體的機制,為研究與人類疾病相關突變的致病機理提供了理論框架。

北京時間2022年4月27日晚23時,相關成果發表于《自然》雜志。

結構解析“破題”

染色質是真核生物遺傳物質的載體,是DNA纏繞在組蛋白八聚體上形成核小體,經過高度壓縮形成的致密結構。這一形式和結構一方面保證了基因組的穩定性,另一方面卻阻礙遺傳信息的復制,轉錄和DNA損傷修復等生命活動。

那么,染色體究竟什么時候“保持沉穩”、又在什么時候“敞開心扉”,還得靠真核細胞發展出的一系列調控機制。例如,“染色質重塑”這一調控機制發生的過程中,一些被稱為“重塑復合物”的蛋白利用ATP的能量滑動、交換或解聚核小體,通過改變核小體和DNA的結合位置,從而實現對染色質的動態調控。

被命名為BAF和PBAF的復合物是屬于哺乳動物的兩種典型染色質重塑復合物,它們調控染色質結構和基因表達,廣泛參與動物細胞的發育分化過程。作為基因的“看門人”,這兩種復合物還被認為是治療癌癥等疾病的潛在藥物靶點。

據科研人員介紹,早在1996年,這兩種復合物就被鑒定出來。并且,得益于冷凍電鏡技術的發展,其中一種BAF復合物的高分辨結構也出爐。然而,對于PBAF復合物的組裝方式,識別核小體的機制,其與BAF復合物的差異等問題還是無人抵達的科學前沿。

長期致力于染色體重塑機制研究的科研團隊相信,了解PBAF復合物的結構將幫助我們“看清”它的模樣,這樣才有助于理解它的工作過程。

三維結構出爐

為破解這些難題,首先要獲得完整PBAF復合物進行研究。但該復合物是由12個亞基組成的分子量超過1兆道爾頓的超大復合物,這給團隊帶來了第一個亟待解決的技術難點:怎么才能得到高質量的完整PBAF復合物?

陳柱成教授帶領團隊一起奮戰在實驗室,為解決問題不斷尋找出路。歷經了五年研究,他們在對蛋白表達體系、蛋白構件邊界條件、純化方式等方面做了一系列探索后,團隊摸索出PBAF復合物的生物化學重組實驗新方案,才終于獲得了高質量的重組PBAF復合物。

隨后,團隊利用清華大學的冷凍電子顯微鏡,對復合物進行成像和三維重構。第二個難點出現了,如何才能搭建復合物的三維模型?

團隊首先想到了“氨基酸殘基特征模糊識別算法”。他們依據高分辨的電鏡密度圖,綜合蛋白二級結構預測及氨基酸殘基化學性質等信息,最終成功解析出了PBAF結合核小體的結構,揭示了PBAF復合物的組裝方式。

三維結構顯示,PBAF的12個亞基根據功能不同,可以分為3個模塊,包括負責發揮催化活性的“motor模塊”、具有調控功能的“ARP模塊”以及發揮染色質靶向功能的“SRM模塊”。

有趣的是,“SRM模塊”由9個輔助亞基穿梭交織在一起形成三葉片狀。研究團隊還根據其主要生物學功能為這些葉片命名,包括核小體結合葉片(NBL)、組蛋白尾巴結合葉片(HBL)和DNA結合葉片(DBL)。

論文共同第一作者、清華大學博士生陳康凈向《中國科學報》介紹,與BAF相比,PBAF擁有特殊的HBL,包含一些特異亞基。“這相當于一個超級組蛋白識別亞模塊。”

研究人員認為,正是這個特別的結構域,使PBAF復合物在機體中能夠更高效地感知染色質信號。

PBAF染色質重塑復合物結合核小體的結構和疾病相關突變。(a)PBAF-核小體復合物的冷凍電鏡密度圖。(b)PBAF-核小體復合物的結構模型。(c)PBAF復合物識別核小體,調控染色質結構的模型。(d)3703個癌癥相關的 SMARCA4錯義突變位點,以及多個神經系統發育缺陷相關的SMARCA2的錯義突變位點分布(數據來自COSMIC,cBioPortal和已發表文獻)。以SMARCA4序列為參考,標記高頻突變位點;SMARCA2突變的對應氨基酸殘基在[]里。(e)疾病相關的突變位點主要位于“ATP pocket”周圍和“Brace interface”,局部放大圖顯示了高頻突變位點在Brace-helix界面的分布,右圖生化實驗顯示R973和R1243的突變大大降低了染色質重塑活性。(研究團隊供圖)

助力精準醫療

闡明PBAF復合物組裝和染色質重塑機制后,團隊開始思考下一步計劃:怎樣能讓該項研究為人類疾病研究服務呢?

此前的研究中,由于BAF復合物的核心“馬達亞基”處于非活性狀態,難以為疾病的相關突變提供致病機理。

在圍繞PBAF的研究中,研究人員發現PBAF復合物中的馬達亞基處于活性狀態。“我們清晰地看到了大量與疾病相關的突變分布在兩個關鍵的活性界面,并且這些位點的突變也會顯著降低染色質重塑活性,表明了疾病發生可能和BAF/PBAF復合物功能的喪失有關。”研究人員介紹。

此外,他們還首次揭示了馬達亞基識別核小體的機制。

“我們的發現為將來開展精準醫療提供了基礎。”論文共同第一作者、清華大學博士生袁俊杰告訴《中國科學報》,“通過對PBAF復合物以及其活性亞基的研究,為開發靶向BAF/PBAF復合物的新型藥物提供了結構基礎”。

業內專家認為,這項工作不僅闡明了PBAF復合物組裝、核小體識別和染色質重塑機制,而且為理解BAF/PBAF相關突變的致病機理提供了理論基礎。這一發現有利于在染色質水平理解染色質重塑機制,也會推動相關疾病靶向藥物的研發。

相關論文信息:

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04658-5

 
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BAF/PBAF復合物是人類染色質調控因子家族成員,它們的作用就像“看門人”,影響人類基因的最終表現。近年來,科學家發現該復合物的突變與超過20%的癌癥及多種神經系統發育缺陷有關。

清華大學陳柱成教授團隊采用冷凍電鏡的先進方法,揭示出PBAF復合物的組裝方式和其識別核小體的機制,為研究與人類疾病相關突變的致病機理提供了理論框架。

北京時間2022年4月27日晚23時,相關成果發表于《自然》雜志。

結構解析“破題”

染色質是真核生物遺傳物質的載體,是DNA纏繞在組蛋白八聚體上形成核小體,經過高度壓縮形成的致密結構。這一形式和結構一方面保證了基因組的穩定性,另一方面卻阻礙遺傳信息的復制,轉錄和DNA損傷修復等生命活動。

那么,染色體究竟什么時候“保持沉穩”、又在什么時候“敞開心扉”,還得靠真核細胞發展出的一系列調控機制。例如,“染色質重塑”這一調控機制發生的過程中,一些被稱為“重塑復合物”的蛋白利用ATP的能量滑動、交換或解聚核小體,通過改變核小體和DNA的結合位置,從而實現對染色質的動態調控。

被命名為BAF和PBAF的復合物是屬于哺乳動物的兩種典型染色質重塑復合物,它們調控染色質結構和基因表達,廣泛參與動物細胞的發育分化過程。作為基因的“看門人”,這兩種復合物還被認為是治療癌癥等疾病的潛在藥物靶點。

據科研人員介紹,早在1996年,這兩種復合物就被鑒定出來。并且,得益于冷凍電鏡技術的發展,其中一種BAF復合物的高分辨結構也出爐。然而,對于PBAF復合物的組裝方式,識別核小體的機制,其與BAF復合物的差異等問題還是無人抵達的科學前沿。

長期致力于染色體重塑機制研究的科研團隊相信,了解PBAF復合物的結構將幫助我們“看清”它的模樣,這樣才有助于理解它的工作過程。

三維結構出爐

為破解這些難題,首先要獲得完整PBAF復合物進行研究。但該復合物是由12個亞基組成的分子量超過1兆道爾頓的超大復合物,這給團隊帶來了第一個亟待解決的技術難點:怎么才能得到高質量的完整PBAF復合物?

陳柱成教授帶領團隊一起奮戰在實驗室,為解決問題不斷尋找出路。歷經了五年研究,他們在對蛋白表達體系、蛋白構件邊界條件、純化方式等方面做了一系列探索后,團隊摸索出PBAF復合物的生物化學重組實驗新方案,才終于獲得了高質量的重組PBAF復合物。

隨后,團隊利用清華大學的冷凍電子顯微鏡,對復合物進行成像和三維重構。第二個難點出現了,如何才能搭建復合物的三維模型?

團隊首先想到了“氨基酸殘基特征模糊識別算法”。他們依據高分辨的電鏡密度圖,綜合蛋白二級結構預測及氨基酸殘基化學性質等信息,最終成功解析出了PBAF結合核小體的結構,揭示了PBAF復合物的組裝方式。

三維結構顯示,PBAF的12個亞基根據功能不同,可以分為3個模塊,包括負責發揮催化活性的“motor模塊”、具有調控功能的“ARP模塊”以及發揮染色質靶向功能的“SRM模塊”。

有趣的是,“SRM模塊”由9個輔助亞基穿梭交織在一起形成三葉片狀。研究團隊還根據其主要生物學功能為這些葉片命名,包括核小體結合葉片(NBL)、組蛋白尾巴結合葉片(HBL)和DNA結合葉片(DBL)。

論文共同第一作者、清華大學博士生陳康凈向《中國科學報》介紹,與BAF相比,PBAF擁有特殊的HBL,包含一些特異亞基。“這相當于一個超級組蛋白識別亞模塊。”

研究人員認為,正是這個特別的結構域,使PBAF復合物在機體中能夠更高效地感知染色質信號。

PBAF染色質重塑復合物結合核小體的結構和疾病相關突變。(a)PBAF-核小體復合物的冷凍電鏡密度圖。(b)PBAF-核小體復合物的結構模型。(c)PBAF復合物識別核小體,調控染色質結構的模型。(d)3703個癌癥相關的 SMARCA4錯義突變位點,以及多個神經系統發育缺陷相關的SMARCA2的錯義突變位點分布(數據來自COSMIC,cBioPortal和已發表文獻)。以SMARCA4序列為參考,標記高頻突變位點;SMARCA2突變的對應氨基酸殘基在[]里。(e)疾病相關的突變位點主要位于“ATP pocket”周圍和“Brace interface”,局部放大圖顯示了高頻突變位點在Brace-helix界面的分布,右圖生化實驗顯示R973和R1243的突變大大降低了染色質重塑活性。(研究團隊供圖)

助力精準醫療

闡明PBAF復合物組裝和染色質重塑機制后,團隊開始思考下一步計劃:怎樣能讓該項研究為人類疾病研究服務呢?

此前的研究中,由于BAF復合物的核心“馬達亞基”處于非活性狀態,難以為疾病的相關突變提供致病機理。

在圍繞PBAF的研究中,研究人員發現PBAF復合物中的馬達亞基處于活性狀態。“我們清晰地看到了大量與疾病相關的突變分布在兩個關鍵的活性界面,并且這些位點的突變也會顯著降低染色質重塑活性,表明了疾病發生可能和BAF/PBAF復合物功能的喪失有關。”研究人員介紹。

此外,他們還首次揭示了馬達亞基識別核小體的機制。

“我們的發現為將來開展精準醫療提供了基礎。”論文共同第一作者、清華大學博士生袁俊杰告訴《中國科學報》,“通過對PBAF復合物以及其活性亞基的研究,為開發靶向BAF/PBAF復合物的新型藥物提供了結構基礎”。

業內專家認為,這項工作不僅闡明了PBAF復合物組裝、核小體識別和染色質重塑機制,而且為理解BAF/PBAF相關突變的致病機理提供了理論基礎。這一發現有利于在染色質水平理解染色質重塑機制,也會推動相關疾病靶向藥物的研發。

相關論文信息:

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04658-5

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