于洪涛/白晓辰组合作报道人类粘连蛋白三维结构

染色体结构维持(SMC)复合物普遍存在于原核和真核细胞中,并在基因组折叠中发挥重要功能【1-5】。在真核生物中,SMC复合物包括粘连蛋白(Cohesin),凝缩蛋白(Condensin)以及SMC5/6复合物。粘连蛋白介导细胞分裂中姐妹染色单体的粘连。近年的研究表明,在脊椎动物中,粘连蛋白是细胞分裂间期染色质环(Loop)和拓扑关联结构域(Topologically associating domain,TAD)形成不可或缺的,并且对染色质区室(Compartment)结构起着调控作用,而凝缩蛋白促进有丝分裂期染色质凝聚成X型染色体。粘连蛋白和凝缩蛋白一起保证了有丝分裂期姐妹染色单体的正常分离。粘连蛋白还在基因转录,重组和修复中扮演重要角色。SMC5/6复合物也调控DNA损伤和修复。

人类粘连蛋白由SMC1,SMC3,RAD21以及STAG1(或STAG2)四个亚基组成(图1)。SMC1和SMC3是ATP酶家族蛋白,由两末端的ATP酶Head结构域(HD),处于中间位置的Hinge结构域以及连接两者的长Coiled coil组成。前期的研究表明,一方面,SMC1/3 Hinge结构域形成异源二聚体;另一方面,RAD21连接SMC1/3 HD,因此形成一个闭合的环型结构。HEAT重复基序蛋白STAG1可以招募包括CTCF在内的多种功能蛋白【6】。在另一个HEAT重复基序蛋白NIPBL的激活下,粘连蛋白加载到染色质上发挥功能。粘连蛋白以及NIPBL的突变会引起发育相关疾病包括德朗热综合征,并与癌症发生发展密切相关。大量实验证据表明粘连蛋白通过环挤压(Loop extrusion)的方式与CTCF一起介导有丝分裂间期染色质结构域的形成并调控特异性基因转录【7-12】

2019年底,美国得克萨斯大学西南医学中心于洪涛教授(现任西湖大学生命科学学院院长,细胞生物学讲席教授)课题组在Science上发表论文,利用单分子成像技术证实了人源粘连蛋白-NIPBL通过ATP驱动的环挤压方式来压缩DNA【13,14】。然而,粘连蛋白发挥其作用的分子机制仍不清楚。一直以来,人们对包括粘连蛋白在内的SMC复合物的三维结构十分期待。SMC复合物构象的高度动态阻碍了对其三维结构的探究。

2020年5月14日,于洪涛教授课题组与西南医学中心白晓辰教授课题组合作,在Science上在线发表研究长文:Cryo-EM Structure of Human Cohesin-NIPBL-DNA Complex史竹兵博士为第一作者,高海山博士为共同作者)他们利用冷冻电镜技术解析了DNA结合状态的人源粘连蛋白与NIPBL复合物三维结构,从而阐明了粘连蛋白各亚基,NIPBL和DNA之间相互作用关系,粘连蛋白激活以及DNA装载机制。这是首个经同行评议并正式发表的SMC复合物高分辨率三维结构。

为了克服粘连蛋白构象高度柔性的问题,研究人员对复合物样品进行了系统性地尝试和优化,最终获得稳定构象的粘连蛋白,NIPBL与72个碱基对双链DNA复合物的电镜结构。粘连蛋白,NIPBL与DNA核心复合物结构分辨率为3.9埃,整体复合物结构分辨率为5.3埃。整体结构可以分为三层(图1)。第一层由SMC1/3 HD和Coiled coil结构域以及RAD21 NHD和WHD结构域组成。第二层由NIPBL以及结合的RAD21区域组成。第三层由STAG1,与其结合的RAD21区域以及SMC1/3 Hinge结构域组成。三个层次通过广泛的相互作用紧密地结合在一起。由于构象柔性,部分SMC1/3 Coiled coil区域以及RAD21中间区域在结构中不可见。RAD21像绳索一样依次与SMC3,NIPBL,STAG1以及SMC1结合,将三个层次串联在一起。DNA贯穿于整个复合物的中央,与粘连蛋白所有亚基以及NIPBL直接相互作用,进一步稳定该复合物。之前研究表明,粘连蛋白能够以拓扑或非拓扑形式结合DNA,并认为拓扑结合状态的DNA位于SMC区室或Kleisin/RAD21区室。该结构捕获了DNA装载时的粘连蛋白构象。与假设不同的是,在该电镜结构中,DNA同时位于SMC区室以及新发现的由SMC3和NIPBL组成的区室中。在SMC3-NIPBL区室中,DNA发生约45°的弯曲。
图1、粘连蛋白复合物电镜结构
在结构中,ATP类似物AMP-PNP介导SMC1/3 HD形成异源二聚体。NIPBL与SMC1/3 HD异源二聚体界面以及二者的Coiled coil直接相互作用,引起HD和Coiled coil大幅度的构象变化。DNA也直接同SMC1/3 HD上的与ATP结合和催化密切相关的关键基序接触。这从结构上解释了为什么NIPBL和DNA可以协同地提高粘连蛋白ATP酶活性。有趣的是,SMC3上的乙酰化位点被NIPBL和DNA识别。之前研究表明,SMC3的乙酰化会抑制粘连蛋白活性并削弱粘连蛋白介导的染色质压缩过程。SMC3乙酰化对姐妹染色单体粘连也至关重要。它被认为通过抑制粘连蛋白的活性并招募其他调控蛋白,将其稳定在姐妹染色单体上。据此,可以推测SMC3乙酰化阻止粘连蛋白结合NIPBL和DNA,从而调控粘连蛋白的激活,进而影响其不同的生理功能。NIPBL识别DNA和RAD21的方式也是首次被观察到。德朗热综合征病人中鉴定的大量NIPBL突变多数位于DNA和RAD21结合界面上,说明打破它们之间的结合会影响粘连蛋白生理功能,导致该疾病的发生。
让人意想不到的是,SMC1/3 Hinge结构域与STAG1以及NIPBL直接相互作用,并处于“开放”构象。可以想象在该结构中,连接SMC1/3 HD和Hinge结构域的Coiled coil在其中间位置必须发生大角度弯曲,形成一个“折叠”构象。Hinge结构域被认为能够结合单链和双链DNA,并介导DNA进入SMC区室。Hinge结构域对于粘连蛋白介导的染色质压缩和染色单体粘连都起着重要作用。为了进一步确认Hinge结构域的开放构象,研究人员解析了单独的Hinge结构域晶体结构。在两个晶体结构中,SMC1/3 Hinge结构域异源二聚体采取两种不同的“开放”构象,并且在其表面结合短链单链DNA。这些结果表明,Hinge结构域的动态构象有利于DNA的结合和捕获。值得注意地是,STAG1和单链DNA在Hinge结构域上的结合区域部分重叠,暗示两者与Hinge结构域结合发生在不同阶段。
该研究揭示了大量的细胞内和体外的重要发现,并对粘连蛋白捕获DNA,在DNA上移动,以及介导染色质压缩和姐妹染色单体粘连分子机制的揭示有重要提示作用(图2)。研究人员推测,DNA首先被NIPBL和STAG1识别。ATP结合之后,SMC1/3 HD形成异源二聚体,产生DNA和NIPBL结合界面并将DNA捕获在SMC区室和SMC-NIPBL区室内。ATP水解之后,SMC1/3 HD分离,导致SMC1/3与STAG1或NIPBL 的解离并释放DNA。同时,SMC1/3 Coiled coil发生构象变化,从弯曲状态转变为伸直的棒状,从而使得SMC1/3在空间上向前移动。下一轮ATP结合—水解循环促使STAG1/NIPBL以及DNA的再次结合和解离,完成粘连蛋白在DNA上的移动。该模型也可能适用于与粘连蛋白相似的其他SMC复合物。总之,该项工作为后续的包括粘连蛋白在内的SMC复合物的功能与机制研究奠定了分子基础,也为因粘连蛋白功能紊乱而引起的相关疾病发生机理的阐明提供了理论依据。
 
图2 粘连蛋白不同构象及其DNA装载模式图
据悉,在该论文接收之后,来自英国弗朗西斯·克里克研究所(The Francis Crick Institute)Frank UhlmannAlessandro Costa课题组合作在bioRxiv上提交了论文:A Structure-Based Mechanism for DNA Entry into the Cohesin Ring,报道了酵母粘连蛋白核心复合物的三维结构。

 

原文链接:http://doi.org/10.1126/science.abb0981

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