单分子力谱研究揭示染色质纤维的关键中间态结构

　　单分子技术是研究生物分子机器动态结构和功能的重要手段。中国科学院物理研究所软物质物理重点实验室从2002年开始逐步建立起以磁镊和荧光光谱为主的单分子研究体系，在DNA凝聚（JACS 2006，PRL 2012）、DNA与抗癌药物作用（NAR 2009, PRE 2015）、端粒四联体DNA折叠（JACS 2013,ACS OMEGA 2016）以及DNA解旋酶分子机理（EMBOJ 2009，NAR 2015）等多个课题取得了系列进展。最近，他们与中国科学院生物物理研究所李国红课题组合作，瞄准染色质纤维动态结构这一难题开展研究，发现“四核小体”结构单元是染色质折叠过程中形成的一种稳定的中间状态，并进一步揭示了组蛋白伴侣FACT（Facilitates Chromatin Transcription）的调控作用。

　　真核生物中，基因组DNA通过逐级折叠形成染色质并被包裹在细胞核内；基因转录、复制、修复和重组等与DNA相关的生命活动都是在染色质这个结构平台上进行的。染色质结构具有高度的复杂性、异质性和动态性。染色质的折叠与调控包含复杂的力学过程，非常规生化和结构生物学研究手段能够触及。在本次合作研究中，生物物理所的研究人员成功建立了具有国际领先水平的染色质体外重建系统，物理所的研究人员将单分子磁镊的测量精度提高到1纳米，实时跟踪和解析了染色质纤维组装的动态过程和力学基础。实验中通过施加约3X10-12牛顿的拉力调节染色质纤维的力学平衡，发现染色质纤维在折叠/去折叠的动态平衡中会形成一个稳定的四聚核小体结构单元，并揭示了四聚核小体的两种折叠路径（图1）；进一步的实验表明这个结构单元受到组蛋白伴侣FACT的调控。该研究首次实时跟踪和解析了染色质纤维结构动态调控的力学基础和动力学过程，在原有的“beads-on-a-string”初级折叠模型的基础上提出了“tetranucleosomes-on-a-string”的中间态结构模型，为后续进一步探讨各种表观遗传因子动态调控染色质纤维结构的分子机制奠定了坚实的基础。

　　该研究由中科院物理所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）的副研究员李伟和研究员李明（物理所）、王鹏业（物理所）、李国红（生物物理所）以及陈萍（生物物理所）等合作完成。相关结果发表在《分子细胞》（Molecular Cell）杂志。该工作得到了国家自然科学基金、科技部和中科院等的资助。

染色质纤维以四聚核小体为结构单元的动态组装过程