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生命科学学院研究在The,SNF与INO80复合体结构研究

来源:http://www.cn-guangxin.com 作者:澳门新萄京官方网站 人气:176 发布时间:2020-05-06
摘要:3月15日,国际植物学著名期刊《The PlantCell》刊登董爱武教授和麻锦彪教授的合作研究:The Histone Chaperone NRP1Interacts with WEREWOLF to Activate GLABRA2 in Arabidopsis Root HairDevelopment(DOI:10.1105/tpc.1

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3月15日,国际植物学著名期刊《The Plant Cell》刊登董爱武教授和麻锦彪教授的合作研究:The Histone Chaperone NRP1 Interacts with WEREWOLF to Activate GLABRA2 in Arabidopsis Root Hair Development(DOI: 10.1105/tpc.16.00719)。该工作揭示了组蛋白分子伴侣通过与特定转录因子相互作用调控多细胞生物发育过程中细胞分化的分子机制。《The Plant Cell》编辑Jennifer Mach撰文评论:该研究从分子、细胞、遗传等多个层面揭示了转录因子WER通过招募组蛋白分子伴侣NRP1促进下游基因GL2转录的分子机制,阐明了在细胞分化过程中,关键的转录因子可以将组蛋白分子伴侣招募到特定靶基因,改变相关区域的染色质结构,促进基因转录,进而影响细胞命运的决定。(A Histone Chaperone and a Specific Transcription Factor Modulate GLABRA2 Expression in Root Hair Development, DOI: 10.1105/tpc.17.00131)

2014年1月22日,我所何新建实验室在《PLOS Genetics》杂志在线发表题为“The SET domain proteins SUVH2 and SUVH9 are required for Pol V occupancy at RNA-directed DNA methylation loci”的论文。该论文报道了模式植物拟南芥中的两个组蛋白甲基化酶的同源蛋白SUVH2和SUVH9参与招募RNA聚合酶V并调控RNA介导DNA甲基化的机制。

中国科学技术大学教授蔡刚课题组利用冷冻电镜技术,解析了染色质重塑SWI/SNF与INO80复合体及其不同核小体结合状态复合物的三维结构,揭示了SWI/SNF与INO80复合体共有的肌动蛋白和核肌动蛋白相关蛋白组成的Actin/Arp模块作为构象调控的分子开关,调控核小体结合及可能调节重塑核小体活性的分子机制,相关研究成果近日分别在国际杂志Protein & CellJournal of Molecular Cell Biology 上发表。

生命科学学院沈文辉实验室和董爱武实验室的合作研究——NAP1家族组蛋白分子伴侣在植物体细胞同源重组中具有重要功能,被植物学领域国际顶尖杂志The Plant Cell在线发表,第一作者为研究生高娟和青年教师朱炎。

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植物中RNA介导DNA甲基化引起的转录沉默参与维持转座元件和DNA重复序列的稳定。在RNA介导DNA甲基化过程中,植物特异存在的依赖DNA的RNA聚合酶IV和V产生的非编码RNA具有关键作用,可以通过顺式作用介导DNA甲基化。因此,研究这两个聚合酶在染色质上的定位机制,有助于理解RNA介导DNA甲基化作用的位置特异性。何新建实验室以前的研究已经证明RNA聚合酶IV在基因组上的定位依赖DTF1/SHH1 (Liu et al., Cell Research, 2011; Zhang et al., PNAS, 2013)。DTF1通过识别染色质上的组蛋白H3K9的甲基化修饰将RNA聚合酶IV招募到特定的染色质位置。但是,对RNA聚合酶V在染色质上的定位机制并不清楚。以前的研究表明,拟南芥中H3K9甲基化酶的同源蛋白SUVH2和SUVH9具有结合甲基化DNA的SRA结构域和催化组蛋白H3K9甲基化的SET结构域,参与了RNA介导DNA甲基化途径,但是它们参与的机制并不清楚。

染色质结构调控对于真核生物的基因转录、细胞周期发展、DNA复制、重组和损伤修复具有至关重要的意义。催化染色质结构改变的酶,包括组蛋白修饰(乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化以及类泛素化等)和染色质重塑(ATP依赖性的DNA移位酶),通常组装成多亚基的复合体来发挥功能。多个组蛋白修饰和染色质重塑复合体,都含有肌动蛋白和肌动蛋白相关蛋白 组成的Actin/Arp模块,如SWI/SNF(高等生物中的BAF)、INO80、SWR1和NuA4/TIP60等。目前对这些复杂复合体各个亚基在复合体中的定位及其在复合体组装和稳定中的贡献,以及如何重塑核小体结构的分子机制知之甚少。

同源重组(Homologous Recombination,HR)对于维持基因组稳定和变异至关重要,同源重组之前染色质需要释放出DNA,而同源重组之后染色质结构需要重新构建。研究发现拟南芥中敲除NAP1或是NAP1相关蛋白(NRP)亚家族成员都会造成植物在正常生长以及外界胁迫条件下同源重组频率的下降,这种现象与已报道的染色质组装因子(CAF-1)组蛋白分子伴侣缺失导致的重组频率升高现象相反。此外CAF-1缺失导致的高频率重组现象依赖于NRP1/NRP2,这种依赖在重组中特异,因为CAF-1缺失导致的端粒长度缩短的表型不依赖于NRP1/NRP2。对于DNA损伤、组蛋白H3K56乙酰化和DNA修复基因表达的研究支持了NAP1家族组蛋白分子伴侣通过核小体组装/去组装参与同源重组的论点,显示了不同组蛋白分子伴侣在维持基因组稳定性方面发挥不同的功能,首次证明了NAP1家族组蛋白分子伴侣在真核生物体细胞同源重组中具有重要作用。

模式植物拟南芥的根表皮细胞可分化为根毛细胞和非根毛细胞,该细胞分化过程由关键的负调控基因GL2及其上游转录因子WER调控。简单而言,如果根表皮细胞表达GL2,细胞分化为非根毛细胞;反之,如果WER或GL2不表达,根表皮细胞就分化为根毛细胞。

何新建实验室的研究表明,SUVH2和SUVH9能够与RNA介导DNA甲基化途径中的蛋白复合体DDR相互作用。DDR是RNA介导DNA甲基化途径中的下游组分。该研究发现,SUVH2和SUVH9的双突变体与DDR复合体的突变体对RNA介导DNA甲基化途径中小RNA的累积以及DNA甲基化水平都具有相似的影响,SUVH2和SUVH9与DDR复合体的功能是相关联的。进一步研究发现,SUVH2和SUVH9能够介导DDR复合体中的组分DMS3与特定的染色质位置结合,进而把RNA聚合酶V招募到该染色质位置,使RNA聚合酶V在该染色质位置转录产生非编码RNA。在以前的研究中,体外实验表明SUVH2不具有催化组蛋白甲基化的活性。何新建实验室的研究发现,在SUVH2中负责组蛋白H3K9甲基化的SET结构域中,有多个重要的参与催化的氨基酸位点发生了改变,并且,将SUVH2的SET结构域中保守的位点进行突变不会影响它在RNA介导DNA甲基化途径中的功能。这些研究表明,SUVH2和SUVH9不具有组蛋白甲基化酶活性,而是通过结合甲基化DNA和DDR蛋白复合体,作为交联蛋白将RNA聚合酶V招募到RNA介导DNA甲基化的靶标位点,使该位置产生非编码RNA。该研究揭示了RNA介导DNA甲基化途径中DNA甲基化与非编码RNA的产生之间相互关联的机制。

蔡刚课题组针对这些难题展开攻坚。经过大量系统尝试,克服了重重困难,分别获得了SWI/SNF与INO80复合体完整复合体的高质量生化制备和冷冻电镜三维结构,但是分辨率受限于染色质重塑复合体显著的结构柔性,无法从结构上鉴定各个亚基的空间位置和相互作用。蔡刚研究组采取“庖丁解牛”的研究策略,通过细致比较完整复合体及其各个亚基缺失突变体的精细三维结构,首次阐明了SWI/SNF和INO80复合体的亚基组织架构和亚基间的相互作用,建立了各个亚基的生物学功能和复合体组装和功能调控的直接联系。

沈文辉实验室和董爱武实验室多年合作研究植物组蛋白分子伴侣NAP1家族蛋白的功能,前期研究工作报道了NAP1与 NRP的功能差异,如发现植物NAP1蛋白可以在细胞质与细胞核之间穿梭且可以与微管蛋白及细胞周期蛋白B1相互作用参与细胞周期调控(Dong et al, Plant Physiology, 2005); 缺失3个NAP1基因的突变体在正常生长条件下,没有表现出生长发育的异常,但对逆境环境的适应能力明显减弱, NAP1蛋白可以结合到DNA损伤修复相关基因AtCEN1, AtCEN2 和AtXPB的启动子区调节其表达,参与DNA的修复过程(Liu et al, The Plant Journal, 2009);缺失2个NRP基因的突变体表现根的发育异常及染色质结构的稳定性下降,如沉默基因释放、对DNA损伤处理更为敏感等,NRP蛋白可以与调控根发育的PLT2,GL2以及异染色质区域的TSI等基因结合(Zhu et al, The Plant Cell, 2006)。目前在线发表的工作表明了NAP1与 NRP在植物体细胞同源重组中的作用相同。

真核生物DNA的复制、转录与修复一直伴随着核小体的组装/去组装过程,该过程需要组蛋白分子伴侣的帮助。NAP1(Nucleosome Assembly Protein 1)是真核生物中保守存在的一类组蛋白分子伴侣。团队之前的研究发现:在NAP1家族成员NRP1/NRP2功能缺失的突变体中,GL2基因的表达量下降,异位的根毛细胞增多,相关工作在2006年发表于《The Plant Cell》杂志(DOI: 10.1105/tpc.106.046490),然而具体的分子机制并不清楚。

北京生命科学研究所何新建实验室的博士生刘章伟是论文的第一作者。其他参与该研究的人员还包括何新建实验室的邵常荣、张翠军博士、周进兴、张素维,北京生命科学研究所蛋白质组中心的陈涉博士和李玲以及核酸测序中心的蔡涛博士和黄焕伟。何新建博士是该论文的通讯作者。该研究在北京生命科学研究所完成,得到科技部和北京市政府的资助。

此外,蔡刚课题组解析了SWI/SNF催化核心亚复合体和INO80 Actin/Arp模块及其结合核小体底物的不同重塑状态的精细三维结构,发现SWI/SNF和INO80复合体共有的Actin/Arp模块首先结合核小体,通过Actin/Arp模块显著的构象变化,帮助核小体加载到催化核心的ATPase结构域。高度柔性的Actin/Arp模块不仅构成了染色质重塑复合体结合核小体的构象开关,而且有可能通过直接调节ATPase结构域的构象,调控着SWI/SNF和INO80染色质重塑的活性。

后续的研究发现:组蛋白分子伴侣NRP1与转录因子WER可以发生直接的蛋白-蛋白相互作用,NRP1被WER招募到GL2基因的启动子区域并发挥分子伴侣活性移除组蛋白,促进GL2基因的转录激活。麻锦彪教授团队解析了NRP1的晶体结构,发现NRP1以二聚体形式存在。两个团队合作证明了NRP1蛋白N端ɑ-螺旋和C端酸性区对NRP1结合组蛋白和转录因子WER以及发挥体内功能均具有重要作用;NRP1通过结合组蛋白解除核小体结构对转录因子与靶基因结合的抑制,促进WER结合GL2启动子,进而激活基因转录。

该成果对揭示染色质重塑复合体重塑核小体结构的分子机制,理解基因表达及其调控的分子机制,细胞增殖、发育及分化的机理具有重大意义。

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蔡刚实验室博士研究生张智慧和张旋分别是两篇论文的第一作者,蔡刚和研究员王雪娟为共同通讯作者。该项工作得到基金委、科技部和合肥微尺度物质科学国家研究中心的资助,并得到中科院生物物理研究所生物成像中心的仪器和技术支持。

朱炎副教授、博士研究生荣亮和罗强为文章的共同第一作者。该研究得到了国家重大科学研究计划、自然科学基金委、复旦大学遗传工程国家重点实验室、遗传与发育协同创新中心的资助和支持。

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中国科大在染色质重塑SWI/SNF与INO80复合体结构研究中获进展

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