陈柱成实验室

Yuan J#, Chen K#, Zhang W, Chen Z*. Structure of human PBAF chromatin remodeling complex bound to a nucleosome. Nature, 605(7908):166-171, 2022.

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04658-5.pdf

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https://www.life.tsinghua.edu.cn/info/1131/3809.htm

2022年4月27日，清华大学生命科学学院/结构生物学高精尖创新中心/清华-北大生命科学联合中心陈柱成教授研究团队在《自然》杂志在线发表题为“人源PBAF染色质重塑复合物结合核小体的结构”（Structure of human PBAF chromatin remodeling complex bound to a nucleosome）的研究论文。该论文报道了人源染色质重塑复合物PBAF在活性状态下结合核小体的结构，揭示了由12个亚基组成的PBAF复合物的组装方式和识别核小体的机制，为众多与人类疾病相关突变的致病机理提供了理论框架。

在真核生物中，DNA缠绕在组蛋白上形成核小体，经高度压缩形成染色质。这一形式一方面保证了基因组的稳定性，另一方面阻碍了诸如遗传信息的复制，转录和DNA损伤修复等生命活动。因此，染色质的动态调控对于生物具有重要作用。染色质重塑Snf2-家族马达蛋白利用ATP的能量滑动、弹出、交换或解聚核小体来，从而实现对染色质的动态调控。

BAF(BRG1-associated factors)和PBAF(polybromo-associated BRG1-associated factors)是哺乳动物SWI/SNF家族的染色质重塑复合物, 它们调控染色质结构和基因表达，广泛参与动物细胞的发育分化过程。近年来，随着高通量测序技术的发展，科研人员发现BAF/PBAF复合物的突变与超过20%的癌症，及多种神经系统发育缺陷有关。BAF/PBAF被认为是治疗癌症等重大人类疾病的潜在药物靶点。因此SWI/SNF家族复合物被广泛关注和研究。尽管早在1996年，BAF/PBAF复合物就已经被鉴定出来，但对于其组装方式和染色质重塑机制一直都不清楚。得益于冷冻电镜技术的发展，酵母SWI/SNF家族复合物及人源BAF复合物的高分辨结构先后在2019和2020年被报道。然而，对于PBAF复合物的组装方式，识别核小体的机制，其与BAF复合物的差异等问题还尚待研究。尤其是已报道的BAF复合物的核心马达亚基（SMARCA4/BRG1）处于非活性状态，不能准确解析许多与疾病相关突变的致病机理。

陈柱成教授研究团队长期深耕于染色质重塑领域，发表了一系列重要成果。在此基础上，研究团队克服技术难点，不断突破，通过体外重组的方法获得了高质量的PBAF复合物，利用冷冻电子显微镜技术，解析了PBAF结合核小体的高分辨结构（3.4埃）。

PBAF复合物的12个亚基根据功能不同，可以分成3个模块：发挥催化活性的motor模块，具有调控功能的ARP (actin-related protein)模块，和发挥染色质靶向功能的SRM模块（substrate recruitment module）。其中，PBAF的9个辅助亚基穿梭交织在一起，形成一个三叶片状的SRM模块。这些叶片根据其主要生物学功能，被命名为：核小体结合叶片（nucleosome-binding lobe，NBL），组蛋白尾巴结合叶片（histone-tail-binding lobe， HBL）和DNA结合叶片（DNA-binding lobe，DBL）。与BAF相比，HBL是PBAF特有的，包含特异亚基—PBRM1、PHF10和BRD7。这些亚基组织在一起，拥有11个结合组蛋白尾巴的结构域。研究人员认为这相当于一个超级组蛋白识别亚模块，有利于PBAF复合物在机体中更高效地感知染色质信号，发挥染色质重塑功能。这项工作还提出了PBAF结合转录因子（TF），调控基因表达的可能机理。同时，这项工作也揭示了ARID2、PBRM1等亚基位点突变致病的可能机理。

值得注意的是，本研究解析的复合物中马达亚基SMARCA4处于活性状态。在此结构中，我们可以清楚地看到疾病相关的突变主要位于高度保守的ATP结合口袋周围，和新形成的Brace-helix界面。Brace-helix活性界面介导了两个马达结构域（Lobe1与Lobe2）的相互作用，是耦合ATP水解和核小体滑动的关键元件，由陈柱成研究组于2017年首次在酵母染色质重塑蛋白Snf2中发现。在PABF的研究工作中，他们发现多个与癌症相关的SMARCA4高频突变热点就位于新形成的Brace-helix界面。而且，多个发生在旁系同源蛋白SMARCA2中与神经系统发育缺陷相关的突变也分布在这个界面。生化实验证实了这些位点的突变会显著降低染色质重塑活性，这提示病人的BAF/PBAF复合物功能的丧失。另外，高质量的电镜密度首次揭示了SMARCA4亚基的SnAc 结构域识别核小体的机制：SnAc通过3个“arginine anchor”识别核小体的酸性口袋(acidic pocket, AP)，促进染色质重塑活性。

总之，这项工作不仅阐明了PBAF复合物组装、核小体识别和染色质重塑机制，而且为理解BAF/PBAF相关突变的致病机理提供了理论基础。这一发现有利于在染色质水平理解染色质重塑机制，也会推动相关疾病靶向药物的研发。

清华大学生命科学学院陈柱成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2019级博士生袁俊杰和2017级博士生陈康净为本文共同第一作者，生命学院博士后张文博（已出站）也参与了重要工作。本工作获得国家自然科学基金、科技部重大科学研究计划专项、北京市结构生物学高精尖创新中心、清华-北大生命科学联合中心、国家蛋白质科学研究（北京）设施清华基地的大力支持。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04658-5

PBAF染色质重塑复合物结合核小体的结构和疾病相关突变

(a)PBAF-核小体复合物的冷冻电镜密度图。(b)PBAF-核小体复合物的结构模型。 (c)PBAF复合物识别核小体，调控染色质结构的模型。(d)3703个癌症相关的 SMARCA4错义突变位点，以及多个神经系统发育缺陷相关的SMARCA2的错义突变位点分布（数据来自COSMIC，cBioPortal和已发表文献）。以SMARCA4序列为参考，标记高频突变位点；SMARCA2突变的对应氨基酸残基在[]里。(e)疾病相关的突变位点主要位于“ATP pocket”周围和“Brace interface”，局部放大图显示了高频突变位点在Brace-helix界面的分布，右图生化实验显示R973和R1243的突变大大降低了染色质重塑活性。