H2A.Z造成染色质结构发生变化
染色质结构变化影响基因表达开放和关闭，核小体组成的变化是造成染色质结构变化的主要方式之一（详见BioArt报道：EMBO J | 周政/朱平合作揭示开放核小体导致染色质松散的分子机制）。在染色质重塑复合物SWR酶体的催化下，组蛋白变体H2A.Z对染色质特定区域的常规组蛋白H2A 进行替换，从而造成该区域的染色质结构发生变化。H2A.Z的重要生物学功能严格依赖H2A.Z对H2A的正确替换。
SWR酶体催化的H2A.Z替换反应是单向的染色质组装反应。该过程将H2A.Z核小体精准定位到特定的染色质区域，因此也被称为“核小体编辑”。中科院生物物理所周政课题组近年来围绕H2A.Z的染色质组装开展了系统研究，先后探明了SWR酶体介导H2A.Z进入核小体，以及将H2A移出核小体（详见BioArt报道：PNAS| 周政组揭示H2A.Z染色质组装的新机制）的过程；发现了组蛋白伴侣介导H2A.Z进行染色质递送，以及染色质移除的方式，初步阐明了SWR酶体与组蛋白形式的H2A.Z进行作用的分子机制。然而，仅有组蛋白形式的H2A.Z并不能激活SWR酶体进行H2A.Z替换，H2A.Z替换还需要H2A核小体这个关键的激活因子。SWR酶体识别H2A核小体以确保反应的进行的内在机制尚不清楚。
2021年5月25日，周政课题组与中科院物理所李伟课题组合作在Cell Reports杂志上发表了论文
Recognition of inherently unstable H2A-nucleosome by Swc2 is a major determinant for unidirectional H2A.Z exchange。
该项研究发现酵母SWR1的重要亚基Swc2具备特异识别并感知底物H2A核小体的能力，从而揭示了SWR1催化H2A.Z连续替换H2A反应单向性的分子机理。
在该研究中，研究人员首先利用溶液核磁共振技术鉴定出SWR1重要亚基Swc2的N端结构域（Swc2-Z）可以特异识别底物H2A核小体，并发现Swc2-Z通过其高度保守的RXXR基序与核小体酸性口袋相互作用。随后，研究人员利用单分子磁镊技术系统研究了H2A核小体与H2A.Z核小体的去组装/组装动力学过程，以及Swc2对该过程的影响。研究人员发现底物H2A核小体的结构稳定性显著低于H2A.Z核小体，同时Swc2-Z可以特异感知处于低稳定性的H2A核小体，并具备促进其去组装的能力。在此基础上，通过单分子磁镊、X射线晶体学、凝胶迁移、以及热稳定性测定等实验，研究人员证实位于H2A M4区域的三个H2A特有残基（G47、P49和I63）调控H2A核小体处于低稳定性水平，并在Swc2介导的H2A核小体去组装中发挥关键作用，将其替换为H2A.Z的对应残基后会破坏Swc2介导的H2A核小体去组装。体内与体外实验表明，Swc2-Z对于SWR1的催化活性，以及H2A.Z在转录起始位点的定位都具有重要作用。该研究提示，在SWR1复合物催化H2A.Z交换反应起始状态，Swc2-Z识别并感知具有内在低稳定性的H2A核小体，从而确保H2A.Z交换反应单向进行（图1）。此外，Swc2在高等真核细胞中的同源蛋白YL1能够发挥同样的功能，说明该机制在不同物种中具有保守性。本研究为阐明SWR酶体的功能以及“核小体编辑”的机制提供了重要基础。
图1. Swc2识别稳定性低的H2A核小体并促进其开放并实现H2A.Z交换
中科院生物物理所周政研究员与中科院物理所李伟副研究员位本文的共同通讯作者。周政课题组戴霖昌博士与李伟课题组肖雪博士为本文的共同第一作者。周政课题组助理研究员潘露博士和冯晓莉博士也参与了该项研究。中科院生物物理所朱冰研究员和张珠强研究员为本研究提供了重要帮助。
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项目成果
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