清華大學陳柱成團隊捕捉ISWI滑移核小體過程的動態構象，揭示染色質重塑機理

DNA纏繞組蛋白八聚體形成的核小體是染色質的基本單元。染色質重塑蛋白（chromatin remodeler）利用ATP水解的能量移動核小體，從而調節染色質結構與基因表達。

染色質重塑蛋白包含4個主要家族：SWI/SNF，ISWI，CHD和INO80，它們具有多種生物學功能。其中，SWI/SNF幫助形成開放的染色質，促進基因表達；而ISWI則感知接頭DNA的長度，促進等間距核小體陣列排布，推動緊密染色質結構形成。不同的染色質重塑蛋白具有高度保守的馬達結構域（motor domain），是染色質重塑反應的核心。而過度的染色質重塑反應需被抑制，從而避免破壞染色質結構。染色質重塑馬達如何克服核小體中組蛋白與DNA的相互作用，滑移核小體的機理並不完全清楚。

北京時間2025年4月4日，清華大學生命科學學院陳柱成教授在《科學》雜誌《Science》線上發表題為“活躍ATP水解過程中ISWI染色質重塑的結構解析” （Structural insights into chromatin remodeling by ISWI during active ATP hydrolysis）的研究論文。過往的結構研究可能由於使用不能被水解的核苷酸底物，只捕捉到三種染色質重塑狀態（ATP，ADP和Apo）。這個最新的研究使用ATP維持DNA滑移，讓馬達蛋白經歷重塑迴圈中所有可能的構象。

研究人員設計了不同濃度ATP實驗條件，富集不同狀態下的構象，並透過冷凍電子顯微鏡技術，首次從ATP水解過程中解析出ATP、ADP、ADP*、ADP⁺、ADP*⁺、Apo、Apo*、ADPS和ADPB等九種ISWI 結合核小體的動態結構（解析度2.3-3.0 Å）。這九種結構共同組成了迄今最完整的染色質重塑迴圈模型，為解釋染色質重塑中的DNA滑移和剎車機制奠定了基礎。

研究人員發現ISWI馬達蛋白在核小體內部（SHL2）引起1 bp DNA隆起（圖1）。這個全新構像被命名為ADP*，有別於經典ADP 狀態下的1/2 bp DNA形變。ADP*構象中，DNA雙鏈同時從入口端向核小體內部滑移，導致1 bp DNA隆起過渡性地儲存在SHL2處，並打破DNA-組蛋白的區域性相互作用。這時，ATP水解的化學能變轉換成DNA形變的勢能。這一現象與兩種被廣泛關注的染色質重塑機制存在衝突。這既不同於"扭曲傳播"（twist diffusion）模型中DNA-組蛋白相互作用保持完整的情況，也有別於"環傳播"（loop propagation）模型中多個相鄰位點相互作用同時被破壞的特徵。ADP*狀態的發現找到了染色質重塑迴圈中缺失的關鍵拼圖，提示一種新的DNA形變傳播模式。

圖1 儲存1 bp DNA隆起的ADP*狀態結構。（A）ADP*狀態下，DNA隆起的電鏡密度圖。（B）區域性DNA-組蛋白相互作用分析。ATP狀態，灰色；ADP*狀態，彩色。在ADP*狀態下，DNA與組蛋白區域性相互作用被破壞。（C）相對於ATP狀態，ADP*狀態的DNA磷酸骨架位移距離熱圖。ADP*狀態下，兩股DNA鏈從入口端向核小體內部移動（箭頭方向），1 bp DNA形變儲存在SHL2位置。（D）ATP狀態（灰色）與ADP*狀態（彩色）位於SHL2處的DNA結構對比。

該工作還發現了ISWI的多個特異調控構象：ADP⁺，ADP*⁺，ADPS以及ADPB。ADP⁺和ADP*⁺具有正向調控元件：RYA（arginine-tyrosine anchor）和PosC（圖 2A-C）。ADP⁺和ADP*⁺構象常見於核小體接頭DNA較短一側，可能起到彌補 DNA結合結構域（DBD）錨定不足的作用，從而穩定馬達對核小體的結合，促進染色質重塑活性。相反，在ADPB 狀態下，正向調控元件作用消失，而新生成的 Brake 元件透過變構作用，導致馬達蛋白異常開放，從而落入失活狀態（圖2D-E）。據此，研究人員提出了染色質重塑的剎車機制，闡明瞭ISWI 家族特異的接頭 DNA 感知機制。

圖2 ISWI調控狀態的結構。（A）ISWI結構域示意圖。（B）ADP+的PosC（深藍）結構。（C）ADP+的RYA結構。上圖展示組蛋白表面電勢。（D）ADPB的結構，Brake（橙色）。（E）ISWI的核小體滑移（居中）活性分析。野生型（WT）ISWI感知接頭DNA長度，使核小體從DNA末端滑移至中間位置，產生遷移較慢條帶。三種Brake作用的突變體，破壞ISWI 感知接頭DNA長度的能力，從而形成遷移較快條帶。

研究人員綜合所獲得的九種構像，提出一個多步驟染色質重塑模型，包括核心的重塑迴圈和外圍的調控狀態（圖 3）。在核心重塑迴圈中，ATP 水解釋放無機磷酸，馬達經歷ATP至ADP構像轉變，並在 SHL2 位置引發 1/2 bp 的 DNA 形變。馬達蛋白進一步傾轉，進入ADP* 狀態，引發1 bp DNA隆起。隨後，ADP*馬達蛋白在整體構像不變的情況下釋放ADP，進入Apo*狀態。新一輪ATP結合促使馬達蛋白閉合，馬達的定向運動推動DNA鏈前移，防止DNA逆滑。同時，馬達內部結構發生調整，釋放與DNA鏈的緊密接觸，使1 bp DNA隆起向出口方向滑移，DNA恢復鬆弛狀態。染色質重塑的分子動畫見陳柱成實驗室主頁連線（www.chenlab.com）。

染色質重塑週期中，DNA在ADP 和ADP* 狀態下發生形變，使體系處於高能狀態，這是調控染色質重塑活性的關鍵節點。馬達在RYA和PosC作用下，可以穩定在APD+ 和ADP*+ 構象，否則容易滑入失去活性的ADPS 和 ADPB 狀態。ADPS的結構代表ATP水解的能量未有效轉換為DNA形變的狀態（打滑狀態）。未來需要更多研究分析能量的轉換效率。當核小體滑移使得接頭DNA變得較短時，DBD失去錨定位點，馬達蛋白剎車，進入ADPB狀態，從而避免過度的染色質重塑，實現對接頭DNA長度的應答。總之，作者認為核心重塑迴圈是各染色質重塑蛋白中普遍通用的 DNA 滑移機制，而外圍調控層則為 ISWI 家族特有。

圖3 染色質重塑DNA滑移和調控模型

值得一提的是，美國的Mario Halic團隊幾乎同期解析了人源ISWI（SNF2H）ATP水解過程中的動態結構（預印本，見延伸閱讀），證實SHL2儲存1 bp DNA隆起的構像在染色質重塑中的普適性。

清華大學生命科學學院陳柱成教授為本文通訊作者，清華大學生命科學學院2020級博士生謝悠揚和博士後潘涵為共同第一作者，博士後陳康淨也參與了重要工作。本工作獲得國家自然科學基金、科技部重大科學研究計劃專項、北京生物結構前沿研究中心、清華-北大生命科學聯合中心、國家蛋白質科學研究（北京）設施清華基地的大力支援。

相關論文：

https://doi.org/10.1126/science.adu5654