摘要：核小体是 真核生物 染色质的基本单元。经典的核小体由 147 bp DNA 缠绕组蛋白八聚体形成， 其中 组蛋白八聚体 由 两 拷贝 H2A-H2B 二聚体和 一拷贝 ( H3-H4 ) 2 四聚体组成。 染色质 结构高度动态 可塑 ， 核小体在复制，转录，

点评丨朱冰（中国科学院生物物理研究所）

核小体是 真核生物 染色质的基本单元。经典的核小体由 147 bp DNA 缠绕组蛋白八聚体形成， 其中 组蛋白八聚体 由 两 拷贝 H2A-H2B 二聚体和 一拷贝 ( H3-H4 ) 2 四聚体组成。 染色质 结构高度动态 可塑 ， 核小体在复制，转录， DNA 损伤 修复等 过程中 经历 拆分和重新 组装 ， 从而产生 不同的 中间态 ，如 DNA 解缠绕 （ DNA unwrapping ）， 六聚 核小体 （ hexasome ）和四聚 核小体 （ tetrasome ） 。 这些中间态 统 称为亚核小体 （ subnucleosome ） ， 其保护的 DNA 片段（ 90-120 bp ）显著短于完整核小体。 虽然 MNase-seq 等基因组学技术检测到这些较短的 受保护 DNA 片段，但由于现有 技术无法 区分亚核小体与多转录因子结合，加之酶切偏好性的干扰，使得亚核小体是否作为稳定功能单元存在于细胞内、其具体结构形式及生物学功能等核心问题仍悬而未决，成为探索染色质动态调控机制中富有挑战性的前沿领域之一。

清华大学 生命学院陈柱成团队发现人源染色质重塑蛋白SMARCAD1对亚核小体的偏好性，并与郗乔然团队合作验证了SMARCAD1这一功能对小鼠胚胎干细胞干性维持的重要作用。相关工作以

SMARCAD1 是一种 非经典的 染色质重塑蛋白 ，对 DNA 损伤修复以及胚胎干细胞的异染色质维持起重要作用 。 研究人员 通过 多种染色质重塑活性检测 方法 ， 意外发现 SMARCAD1 对亚核小体 有显著 的活性，而对经典核小体 的 活性微弱（图1a）。为揭示这一独特偏好性的 机制 ， 研究者通过冷冻电镜单颗粒技术解析了 SMARCAD1 结合 六聚核小体 的 复合物结构（图1b）。 与经典的结合方式不同， SMARCAD1 马达结构域 转 向 六聚核小体中 因 DNA 解缠绕 留下的开放 区域 。 电镜结构 揭示 了 SMARCAD1 内部的 几个 关键 构造 特征。 其中， 马达内部插入有一个独特的组蛋白结合结构域（HBD,图1c）， HBD 与 H4 的 相互 作用 对 SMARCAD1 的 染色质 重塑活性 至关重要 ； SMARCAD1 的 C- 端螺旋（CTH,图1d）向外延申并 顺势 结合到 NPD 上 ， 从而把两个核心的马达结构域连接起来，这对 偶联 ATP 水解和 DNA 滑移 必不可少 。 在小鼠胚胎干细胞中 ，研究者 通过敲低、回补 Smarcad1 基因 证实 HBD, CT H 等关键元素对 Smarcad1 发挥 干细胞多能性 维持作用 不可或缺（图1e）。

图1 SMARCAD1的亚核小体偏好性及其结构基础。（a） SMARCAD1染色质重塑活性表征。酶切位点暴露实验，使用经典核小体(上行)和亚核小体(下行)作为底物。右图是初始反应速度常数的定量分析。（b）SMARCAD1结合hexasome的整体冷冻电镜结构。虚线框中的HBD(c)区域和CTH区域（d）进一步放大展示。（e）mESC在不同条件下的细胞形态，以及碱性磷酸酶染色。Con：未处理。KD：敲低内源Smarcad1表达量。EV：回补空载。WT：回补野生型Smarcad1。D821K：回补HBD 突变(D821K)的Smarcad1。ΔCTH：回补ΔCTH突变的Smarcad1。

为了回答 SMARCAD1 为何丧失对经典核小体重塑活性这一问题，研究者进一步解析了 SMARCAD1 结合 核小体 的 复合物结构 ，发现 SMARCAD1 虽然可以 结合经典核小体， 但结合方式松散， 是一种没有活性的结合模式（图2）。研究者 根据结构 推断，如果 SMARCAD1 以 经典构象 结合 核小体 ，其 HBD 将与 核小体 的 组蛋白 表面 产生空间冲突 。 这解释了 SMARCAD1 丧失对经典核小体重塑活性的结构 性内因 。

图2 SMARCAD1结合经典核小体的冷冻电镜结构。（a）SMARCAD1结合核小体的apo状态冷冻电镜结构。（b）核小体DNA在Snf2（表面模型）与SMARCAD1（卡通模型）结合时的构象对比。SMARCAD1不能紧密结合核小体，两者之间有明显空隙。（c-d）假设以经典模式结合核小体，SMARCAD1将与核小体的组蛋白发生空间排斥。（c）的虚线框中的区域被旋转，放大展示在（d）。

值得一提的是，广泛参与核小体拆分与重新组装 的组蛋白分子伴侣 FACT 复合物与 SMARCAD1 产生协同效应（图3a）。 FACT 可能通过部分拆 分 核小体，极大促进 SMARCAD1 对核小体的 染色质重塑 活性 。 这 一 发现 进一步 加强 了 SMARCAD1 在调控亚核小体动态的作用 模式（图3c）。 SMARCAD1 独特的亚核小体重塑活性为研究细胞内的亚核小体打开了一个窗口，提示亚核小体可能是稳定的功能单元，而非传统认知的短暂副产物。 与 SMARCAD1 功能相符， DNA 损伤修复时，组蛋白发生多种修饰，这些修饰抑制完整核小体组装，却促进亚核小体稳定化。此外，细胞快速复制时，如早期胚胎细胞分裂， 核小体高效拆分 - 重组，可能导致亚核小体大量累积 。这些 染色质发生迅速变化的 生命活动为研究亚核小体以及亚核小体调控蛋白提供广阔的舞台。

图3 SMARCAD1-FACT相互作用及功能协同。（a）SMARCAD1与FACT协同重塑核小体。右图是核小体滑移的动力学跟踪分析。WT：野生型SMARCAD1全长蛋白；D821K：具有D821K突变的SMARCAD1；ΔCTH：将CTH截短的SMARCAD1蛋白；FAB：FACT与H2A-H2B 二聚体混合物。（b）SMARCAD1滑移hexasome的卡通模式图。（c）SMARCAD1在复制叉区域发挥功能的可能模式：帮助亲代组蛋白转移到子代；推动复制后抑制性组蛋白修饰扩散，以及滑离过于靠近的亚核小体与核小体，帮助重新组装染色质。

清华大学生命科学学院陈柱成教授、郗乔然副教授为本文的通讯作者。清华大学生命科学学院、清华 - 北大生命科学联合中心 2018 级博士生胡鹏晶、 2023 级博士生孙菁溪、博士后孙宏瑶和博士后陈康净为本文共同第一作者， 2020 级 博士生谢悠扬和夏显（已毕业）参与了重要工作。

专家点评

朱冰（中国科学院生物物理研究所）

SMARCAD1 的维纳斯—— 不完美才 更 完美

ATP 依赖的染色质重塑因子 (ATP-dependent chromatin remodeler ） 大概是 众多 染色质调控因子中名字 相对难懂的一类了。 ATP 依赖比较明了，显然是需要 ATP 水解提供的能量来工作。而重塑因子究竟把染色质从怎样的状态重塑到了怎样的状态就显得不那么简明。当年给这类因子取名字的时候，科学家们知道它们大概是对染色质干了点什么，但又不清楚它们究竟干了些什么，于是就只能取了这么一个有点晦涩的名字。

现在，科学家们对染色质重塑因子的理解清晰了很多，它们有的可以滑动核小体，有的可以置换核小体中的组蛋白，还有的可以通过逐出组蛋白导致核小体的解体。这些作用方式对于各种需要 DNA 参与的生物学事件有着重要的调控意义。

清华大学陈柱成、 郗乔然 团队在Nature杂志合作发表的工作再一次丰富了对染色质重塑因子作用方式的理解，他们发现染色质重塑因子SMARCAD1具有特殊的底物选择性，SMARCAD1偏好促进亚核小体底物的滑动。

亚核小体研究近期得到了比较多的关注。核小体由组蛋白八聚体和缠绕的 DNA 构成，而组蛋白八聚体则由一个 H3-H4 四 聚体和两个 H2A-H2B 二聚体构成。需要指出的是 H3-H4 四 聚体是核小体的核心，它们脱离 DNA 的时候核小体就解体了，但 H2A-H2B 二聚体从核小体上脱落是细胞内时常发生的事件。失去了一个或者两个 H2A-H2B 二聚体的核小体被称为亚核小体。 在转录、复制等过程中都有迹象表明亚核小体存在 。

陈柱成团队发现 SMARCAD1 对失去了一个 H2A-H2B 二聚体的 亚核小体底物具有偏好性，并利用 ATP 水解提供的能量促使其发生单方向的移动。 不完美的核小体却成为了完美的 SMARCAD1 底物 ！作者团队还揭示了这一活性偏好性的结构生物学基础，以及 SMARCAD1 在胚胎干细胞干 性维持 中的意义。

这是首个明确选择亚核小体作为底物的染色质重塑因子，这一发现带来若干有趣的新问题： 1. 是否存在其它的亚核小体专一性染色质重塑因子？ 2. H2A 和 H2B 上的 单泛素化修饰 是否会促进或抑制此类染色质重塑因子的活性？ 3. H2A 的变体众多，是否存在会促进或抑制此类染色质重塑因子活性的 变体亚 核小体？这项工作为迈向这些新的方向打开了大门。

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来源：科学那些事