BAF/PBAF復(fù)合物是人類染色質(zhì)調(diào)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(xiàn)。近年來，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)該復(fù)合物的突變與超過20%的癌癥及多種神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育缺陷有關(guān)。
清華大學(xué)陳柱成教授團(tuán)隊采用冷凍電鏡的先進(jìn)方法，揭示出PBAF復(fù)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(guān)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(guān)成果發(fā)表于《自然》雜志。
結(jié)構(gòu)解析“破題”
染色質(zhì)是真核生物遺傳物質(zhì)的載體，是DNA纏繞在組蛋白八聚體上形成核小體，經(jīng)過高度壓縮形成的致密結(jié)構(gòu)。這一形式和結(jié)構(gòu)一方面保證了基因組的穩(wěn)定性，另一方面卻阻礙遺傳信息的復(fù)制，轉(zhuǎn)錄和DNA損傷修復(fù)等生命活動。
那么，染色體究竟什么時候“保持沉穩(wěn)”、又在什么時候“敞開心扉”，還得靠真核細(xì)胞發(fā)展出的一系列調(diào)控機制。例如，“染色質(zhì)重塑”這一調(diào)控機制發(fā)生的過程中，一些被稱為“重塑復(fù)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(jié)合位置，從而實現(xiàn)對染色質(zhì)的動態(tài)調(diào)控。
被命名為BAF和PBAF的復(fù)合物是屬于哺乳動物的兩種典型染色質(zhì)重塑復(fù)合物，它們調(diào)控染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)，廣泛參與動物細(xì)胞的發(fā)育分化過程。作為基因的“看門人”，這兩種復(fù)合物還被認(rèn)為是治療癌癥等疾病的潛在藥物靶點。
據(jù)科研人員介紹，早在1996年，這兩種復(fù)合物就被鑒定出來。并且，得益于冷凍電鏡技術(shù)的發(fā)展，其中一種BAF復(fù)合物的高分辨結(jié)構(gòu)也出爐。然而，對于PBAF復(fù)合物的組裝方式，識別核小體的機制，其與BAF復(fù)合物的差異等問題還是無人抵達(dá)的科學(xué)前沿。
長期致力于染色體重塑機制研究的科研團(tuán)隊相信，了解PBAF復(fù)合物的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)出爐
為破解這些難題，首先要獲得完整PBAF復(fù)合物進(jìn)行研究。但該復(fù)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(fù)合物，這給團(tuán)隊帶來了第一個亟待解決的技術(shù)難點：怎么才能得到高質(zhì)量的完整PBAF復(fù)合物？
陳柱成教授帶領(lǐng)團(tuán)隊一起奮戰(zhàn)在實驗室，為解決問題不斷尋找出路。歷經(jīng)了五年研究，他們在對蛋白表達(dá)體系、蛋白構(gòu)件邊界條件、純化方式等方面做了一系列探索后，團(tuán)隊摸索出PBAF復(fù)合物的生物化學(xué)重組實驗新方案，才終于獲得了高質(zhì)量的重組PBAF復(fù)合物。
隨后，團(tuán)隊利用清華大學(xué)的冷凍電子顯微鏡，對復(fù)合物進(jìn)行成像和三維重構(gòu)。第二個難點出現(xiàn)了，如何才能搭建復(fù)合物的三維模型？
團(tuán)隊首先想到了“氨基酸殘基特征模糊識別算法”。他們依據(jù)高分辨的電鏡密度圖，綜合蛋白二級結(jié)構(gòu)預(yù)測及氨基酸殘基化學(xué)性質(zhì)等信息，最終成功解析出了PBAF結(jié)合核小體的結(jié)構(gòu)，揭示了PBAF復(fù)合物的組裝方式。
三維結(jié)構(gòu)顯示，PBAF的12個亞基根據(jù)功能不同，可以分為3個模塊，包括負(fù)責(zé)發(fā)揮催化活性的“motor模塊”、具有調(diào)控功能的“ARP模塊”以及發(fā)揮染色質(zhì)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(tuán)隊還根據(jù)其主要生物學(xué)功能為這些葉片命名，包括核小體結(jié)合葉片（NBL）、組蛋白尾巴結(jié)合葉片(HBL）和DNA結(jié)合葉片(DBL）。
論文共同第一作者、清華大學(xué)博士生陳康凈向《中國科學(xué)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(dāng)于一個超級組蛋白識別亞模塊。”
研究人員認(rèn)為，正是這個特別的結(jié)構(gòu)域，使PBAF復(fù)合物在機體中能夠更高效地感知染色質(zhì)信號。
PBAF染色質(zhì)重塑復(fù)合物結(jié)合核小體的結(jié)構(gòu)和疾病相關(guān)突變。(a)PBAF-核小體復(fù)合物的冷凍電鏡密度圖。(b)PBAF-核小體復(fù)合物的結(jié)構(gòu)模型。(c)PBAF復(fù)合物識別核小體，調(diào)控染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的模型。(d)3703個癌癥相關(guān)的 SMARCA4錯義突變位點，以及多個神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育缺陷相關(guān)的SMARCA2的錯義突變位點分布（數(shù)據(jù)來自COSMIC，cBioPortal和已發(fā)表文獻(xiàn)）。以SMARCA4序列為參考，標(biāo)記高頻突變位點；SMARCA2突變的對應(yīng)氨基酸殘基在[]里。(e)疾病相關(guān)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(zhì)重塑活性。（研究團(tuán)隊供圖）
助力精準(zhǔn)醫(yī)療
闡明PBAF復(fù)合物組裝和染色質(zhì)重塑機制后，團(tuán)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(wù)呢？
此前的研究中，由于BAF復(fù)合物的核心“馬達(dá)亞基”處于非活性狀態(tài)，難以為疾病的相關(guān)突變提供致病機理。
在圍繞PBAF的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)PBAF復(fù)合物中的馬達(dá)亞基處于活性狀態(tài)。“我們清晰地看到了大量與疾病相關(guān)的突變分布在兩個關(guān)鍵的活性界面，并且這些位點的突變也會顯著降低染色質(zhì)重塑活性，表明了疾病發(fā)生可能和BAF/PBAF復(fù)合物功能的喪失有關(guān)。”研究人員介紹。
此外，他們還首次揭示了馬達(dá)亞基識別核小體的機制。
“我們的發(fā)現(xiàn)為將來開展精準(zhǔn)醫(yī)療提供了基礎(chǔ)。”論文共同第一作者、清華大學(xué)博士生袁俊杰告訴《中國科學(xué)報》，“通過對PBAF復(fù)合物以及其活性亞基的研究，為開發(fā)靶向BAF/PBAF復(fù)合物的新型藥物提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)”。
業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，這項工作不僅闡明了PBAF復(fù)合物組裝、核小體識別和染色質(zhì)重塑機制，而且為理解BAF/PBAF相關(guān)突變的致病機理提供了理論基礎(chǔ)。這一發(fā)現(xiàn)有利于在染色質(zhì)水平理解染色質(zhì)重塑機制，也會推動相關(guān)疾病靶向藥物的研發(fā)。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-022-04658-5
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