單分子力譜揭示染色質纖維的關鍵中間態結構

單分子技術是研究生物分子機器動態結構和功能的重要手段。中科院軟物質物理重點實驗室從2002年開始逐步建立起以磁鑷和熒光光譜為主的單分子研究體系，在DNA凝聚（JACS 2006，PRL 2012）、DNA與抗癌藥物作用（NAR 2009, PRE 2015）、端粒四聯體DNA摺疊（JACS 2013, ACS OMEGA 2016）以及DNA解旋酶分子機理（EMBOJ 2009，NAR 2015）等多個課題取得了系列進展。最近，他們與生物物理所李國紅課題組合作，瞄準染色質纖維動態結構這一難題開展研究，發現「四核小體」結構單元是染色質摺疊過程中形成的一種穩定的中間狀態，並進一步揭示了組蛋白伴侶FACT（Facilitates Chromatin Transcription）的調控作用。

真核生物中，基因組DNA通過逐級摺疊形成染色質並被包裹在細胞核內；基因轉錄、複製、修復和重組等與DNA相關的生命活動都是在染色質這個結構平台上進行的。染色質結構具有高度的複雜性、異質性和動態性。染色質的摺疊與調控包含複雜的力學過程，非常規生化和結構生物學研究手段能夠觸及。在本次合作研究中，生物物理所的研究人員成功建立了具有國際領先水平的染色質體外重建系統，物理所的研究人員將單分子磁鑷的測量精度提高到1納米，實時跟蹤和解析了染色質纖維組裝的動態過程和力學基礎。實驗中通過施加約3X10-12牛頓的拉力調節染色質纖維的力學平衡，發現染色質纖維在摺疊/去摺疊的動態平衡中會形成一個穩定的四聚核小體結構單元，並揭示了四聚核小體的兩種摺疊路徑（圖1）；進一步的實驗表明這個結構單元受到組蛋白伴侶FACT的調控。該研究首次實時跟蹤和解析了染色質纖維結構動態調控的力學基礎和動力學過程，在原有的「beads-on-a-string」初級摺疊模型的基礎上提出了「tetranucleosomes-on-a-string」的中間態結構模型，為後續進一步探討各種表觀遺傳因子動態調控染色質纖維結構的分子機制奠定了堅實的基礎。

該研究由中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）的李偉副研究員和李明研究員（物理所）、王鵬業研究員（物理所）、李國紅研究員（生物物理所）以及陳萍研究員（生物物理所）等合作完成。相關結果發表在《Molecular Cell》雜誌（IF=14）。該工作得到了國家自然科學基金、科技部和中科院等的資助。

圖1 染色質纖維以四聚核小體為結構單元的動態組裝過程

文章鏈接：http://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(16)30466-X

編輯：Alex Yuan