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DNA纏繞組蛋白八聚體形成的核小體是染色質(zhì)的基本單元。染色質(zhì)重塑蛋白（chromatin remodeler）利用ATP水解的能量移動核小體，從而調(diào)節(jié)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與基因表達。染色質(zhì)重塑蛋白包含4個主要家族：SWI/SNF，ISWI，CHD和INO80，它們具有多種生物學(xué)功能。其中，SWI/SNF幫助形成開放的染色質(zhì)，促進基因表達；而ISWI則感知接頭DNA的長度，促進等間距核小體陣列排布，推動緊密染色質(zhì)結(jié)構(gòu)形成。不同的染色質(zhì)重塑蛋白具有高度保守的馬達結(jié)構(gòu)域（motor domain），是染色質(zhì)重塑反應(yīng)的核心。而過度的染色質(zhì)重塑反應(yīng)需被抑制，從而避免破壞染色質(zhì)結(jié)構(gòu)。染色質(zhì)重塑馬達如何克服核小體中組蛋白與DNA的相互作用，滑移核小體的機理并不完全清楚。

北京時間2024年4月4日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院陳柱成教授在Science在線發(fā)表題為

Structural

insights into chromatin remodeling by ISWI during active ATP hydrolysis

的研究論文。過往的結(jié)構(gòu)研究可能由于使用不能被水解的核苷酸底物，只捕捉到三種染色質(zhì)重塑狀態(tài)（ATP，ADP和Apo）。這個最新的研究使用ATP維持DNA滑移，讓馬達蛋白經(jīng)歷重塑循環(huán)中所有可能的構(gòu)象。研究人員設(shè)計了不同濃度ATP實驗條件，富集不同狀態(tài)下的構(gòu)象，并通過冷凍電子顯微鏡技術(shù)，首次從ATP水解過程中解析出ATP、ADP、ADP*、ADP?、ADP*?、Apo、Apo*、ADPS和ADPB等九種ISWI 結(jié)合核小體的動態(tài)結(jié)構(gòu)（分辨率2.3-3.0 ?）。這九種結(jié)構(gòu)共同組成了迄今最完整的染色質(zhì)重塑循環(huán)模型，為解釋染色質(zhì)重塑中的DNA滑移和剎車機制奠定了基礎(chǔ)。

研究人員發(fā)現(xiàn)ISWI馬達蛋白在核小體內(nèi)部（SHL2）引起1 bp DNA隆起（圖1）。這個全新構(gòu)像被命名為ADP*，有別于經(jīng)典ADP 狀態(tài)下的1/2 bp DNA形變。ADP*構(gòu)象中，DNA雙鏈同時從入口端向核小體內(nèi)部滑移1 bp。而且，1 bp DNA隆起使得DNA鏈與組蛋白的相互作用被破壞。這一現(xiàn)象與兩種被廣泛關(guān)注的染色質(zhì)重塑機制存在沖突。這既不同于“扭曲傳播”（twist diffusion）模型中DNA-組蛋白相互作用保持完整的情況，也有別于“環(huán)傳播”（loop propagation）模型中多個相鄰位點相互作用同時被破壞的特征。ADP*狀態(tài)的發(fā)現(xiàn)找到了染色質(zhì)重塑循環(huán)中缺失的關(guān)鍵拼圖，提示一種新的DNA形變傳播模式。

圖1 存儲1 bp DNA隆起的ADP*狀態(tài)結(jié)構(gòu)。（A）ADP*狀態(tài)下，DNA隆起的電鏡密度圖。（B）局部DNA-組蛋白相互作用分析。ATP狀態(tài)，灰色；ADP*狀態(tài)，彩色。在ADP*狀態(tài)下，局部DNA與組蛋白相互作用被破壞。（C）相對于ATP狀態(tài)，ADP*狀態(tài)的DNA磷酸骨架位移距離熱圖。ADP*狀態(tài)下，兩股DNA鏈從入口端向核小體內(nèi)部移動（箭頭方向），1 bp DNA形變儲存在SHL2位置。（D）ATP狀態(tài)（灰色）與ADP*狀態(tài)（彩色）的局部DNA結(jié)構(gòu)對比。

該工作還發(fā)現(xiàn)了ISWI的多個特異調(diào)控構(gòu)象：ADP?，ADP*?，以及ADPB。ADP?和ADP*?具有正向調(diào)控元件：RYA（arginine-tyrosine anchor）和PosC（圖 2A-C）。ADP?和ADP*?構(gòu)象常見于核小體接頭DNA較短一側(cè)，可能起到彌補 DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域（DNA binding domain，DBD）錨定不足的作用，從而促進染色質(zhì)重塑活性。相反，在ADPB 狀態(tài)下，正向調(diào)控元件作用消失，而新生成的 Brake 元件通過變構(gòu)作用，導(dǎo)致馬達蛋白異常開放，從而落入失活狀態(tài)（圖2D-E）。據(jù)此，研究人員提出了染色質(zhì)重塑的剎車機制，闡明了ISWI 家族特異的接頭 DNA 感知機制。

圖2 ISWI調(diào)控狀態(tài)的結(jié)構(gòu)。（A）ISWI結(jié)構(gòu)域示意圖。（B）ADP+的PosC（深藍）結(jié)構(gòu)。（C）ADP+的RYA結(jié)構(gòu)。上圖展示組蛋白表面電勢。（D）ADPB的結(jié)構(gòu)，Brake（橙色）。（E）ISWI的核小體滑移（居中）活性分析。野生型（WT）ISWI感知接頭DNA長度，使核小體從DNA末端滑移至中間位置，產(chǎn)生遷移較慢條帶。三種Brake作用的突變體，破壞ISWI 感知接頭DNA長度的能力，從而形成遷移較快條帶。

研究人員綜合所獲得的九種構(gòu)像，提出一個多步驟染色質(zhì)重塑模型，包括核心的重塑循環(huán)和外圍調(diào)控狀態(tài)（圖 3）。在核心重塑循環(huán)中，ATP 水解釋放無機磷酸，馬達經(jīng)歷ATP至ADP構(gòu)像轉(zhuǎn)變，并在 SHL2 位置引發(fā) 1/2 bp 的 DNA 形變。馬達蛋白進一步傾轉(zhuǎn)，進入ADP* 狀態(tài)，在SHL2位置引發(fā)1 bp的DNA隆起。隨后，ADP*馬達蛋白在整體構(gòu)像不變的情況下釋放ADP，進入Apo*狀態(tài)。新一輪ATP結(jié)合促使馬達蛋白閉合，馬達的定向運動推動DNA鏈前移，防止DNA逆滑。同時，馬達內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生調(diào)整，釋放與DNA鏈的緊密接觸，使1 bp的DNA隆起向核小體對稱中心（dyad）滑移，DNA恢復(fù)松弛狀態(tài)。染色質(zhì)重塑的分子動畫見陳柱成實驗室主頁連接（www.chenlab.com）。

染色質(zhì)重塑周期中，DNA在ADP 和ADP* 狀態(tài)下發(fā)生形變，使體系處于高能狀態(tài)，這是調(diào)控染色質(zhì)重塑活性的關(guān)鍵節(jié)點。馬達在RYA和PosC作用下，采取APD+ ADP+* 構(gòu)象，否則容易滑入失去活性的ADPS 和 ADPB 狀態(tài)。ADPS的結(jié)構(gòu)代表ATP水解后能量未有效轉(zhuǎn)換為DNA滑移的狀態(tài)（打滑狀態(tài)）。未來需要更多研究分析能量的轉(zhuǎn)換效率。當核小體滑移使得接頭DNA變得較短時，DBD失去錨定位點，馬達蛋白剎車，進入ADPB狀態(tài)，從而避免過度的染色質(zhì)重塑，實現(xiàn)對接頭DNA長度的應(yīng)答?？傊?，作者認為核心重塑循環(huán)是各染色質(zhì)重塑蛋白中普遍通用的 DNA 滑移機制，而外圍調(diào)控層則為 ISWI 家族特有。