Science | 我国科学家从结构上揭示CAF-1参与核小体组装机制
转自：生物谷
细胞分裂过程中的染色质遗传涉及DNA的复制和核小体在复制的DNA上的组装，因为DNA复制叉的通过会破坏DNA上的核小体。这种DNA复制偶联的核小体组装（DNAreplication-couplednucleosomeassembly）所需的组蛋白一半来自被破坏的亲代核小体，另一半是新合成的。
染色质组装因子-1（chromatinassemblyfactor-1,CAF-1）是一种进化保守的异源三聚体蛋白复合物，负责将新合成的组蛋白H3和H4沉积到DNA上。然而，CAF-1结构信息的缺乏阻碍了人们对从头组装核小体的分子机制的了解。
在一项新的研究中，中国科学院生物物理研究所的许瑞明教授、李国红教授、朱冰教授、刘超培教授及其研究团队报告了人类CAF-1核心结构域在不存在组蛋白的情形下的晶体结构，并且利用低温电镜解析出CAF-1与组蛋白H3-H4结合在一起时的高分辨率结构。体外超卷曲试验（supercoilingassay）和体内新生核小体图谱分析证实了这些结构发现。他们还利用单分子自由轨道磁镊（freelyorbitingmagnetictweezer,FOMT）方法研究了由CAF-1组装的核小体前体的手性。相关研究结果发表在2023年8月25日的Science期刊上，论文标题为“Structuralinsightsintohistonebindingandnucleosomeassemblybychromatinassemblyfactor-1”。
CAF-1核心结构域的晶体结构显示，在没有组蛋白的情况下，它采用双叶结构，而且它的p48和p60亚基通过p150亚基的中间结构域自由地拴在一起。当与H3-H4异源二聚体结合时，p48和p60会紧紧抓住拉长的H3-H4异源二聚体的两端，而p150中带负电荷的ED环则穿过H3-H4二聚体带正电荷的弯曲表面，以确保这种结合。
体外组蛋白结合和质粒超卷曲试验以及体内核小体组装分析表明，ED环的羧基末端部分在CAF-1的组蛋白结合和核小体组装活动中发挥着特别重要的作用。这种观察到的组蛋白结合模式确保只有一个H3-H4异源二聚体被CAF-1复合物结合，因为以H3-H4四聚体的方式连接第二个H3-H4二聚体会被p60立体禁止，这表明H3-H4四聚体的形成是受调控的。位于与H4交界处的p60癌症突变会对细胞增殖产生不利影响，并导致基因表达的全面改变。这些影响可能反映了CAF-1在染色质可及性和异染色质完整性方面的功能。
CAF-1与组蛋白H3和H4结合时和不结合时的三维结构。图片来自Science,2023,doi:10.1126/science.add8673。
这些作者证实了短DNA寡聚体的加入会促进CAF-1-H3-H4复合物的二聚化。一种2:2CAF-1-H3-H4复合物的低温电镜结构显示，两个H3-H4异源二聚体位于附近，H3二聚化界面已准备好相互作用，但并不完全符合H3-H4四聚体的几何构型。鉴于较长的DNA片段将H3-H4包裹成四聚体，DNA的长度可能是CAF-1介导形成H3-H4四聚体的关键因素。利用147碱基对(bp)核小体定位的Widom601DNA，他们发现通过盐透析组装了右旋的CAF-1结合的ditetrasome。这一发现通过生理盐浓度下的单分子FOMT得到了证实，表明染色质复制中可能存在不寻常的核小体前体。
综上所述，这项新的研究揭示了CAF-1的组蛋白结合模式。它还阐明了DNA在CAF-1-H3-H4复合物的二聚化和H3-H4四聚体的组装中的作用，并表明右旋核小体前体参与了DNA复制偶联的核小体组装。
参考资料：
Chao-PeiLiuetal.Structuralinsightsintohistonebindingandnucleosomeassemblybychromatinassemblyfactor-1.Science,2023,doi:10.1126/science.add8673.