先锋因子发挥功能的结构生物学基础

来源：BioArt

撰文 | 十一月

责编 | 兮

先锋转录因子对于干细胞多能性的维持、细胞分化过程以及细胞重编程过程的正常进行都非常关键【1,2】。先锋因子能够结合核小体DNA，使得染色质关闭区域的基因能够正常表达。而其中SOX2是胚胎干细胞多能性和自我更新所必需的一个重要的先锋转录因子【3】。

为了揭开先锋转录因子发挥作用的具体结构生物学机制，2020年4月22日，德国马克斯·普朗克生物物理化学研究所Patrick Cramer研究组在Nature发文题为Nucleosome-bound SOX2 and SOX11 structures elucidate pioneer factor function，通过冷冻电镜技术揭开了先锋因子SOX2以及其同源蛋白SOX11结合在核小体上的结构生物学基础以及SOX家族的蛋白是如何帮助其他的非先锋因子促进DNA可及性的实现。

人类基因组的转录是由大约1600个转录因子控制的。转录因子识别DNA基序并招募转录相关的蛋白质复合物使得转录起始成为可能。但是大多数的转录因子在基因组上的结合仅限于染色质开放区域。然而，有些转录因子可以通过与核小体的相互作用从而与染色质结合【4】，这些转录因子被称为先锋转录因子。这些先锋转录因子可以在沉默染色质区域启动转录，是胚胎发育、细胞分化和细胞重编程所必需的。

为了揭开先锋转录因子是如何促进DNA可及性产生的，作者们使用冷冻电镜技术对人SOX2 DNA结合结构域蛋白与核小体复合物的结构进行了解析。作者们通过分析32,301个蛋白质复合物颗粒最终产生了一个大约5.5 Å分辨率的结构图（图1）。核小体-SOX2复合物的结构揭示了SOX2 DNA结合结构域在超螺旋位置（Superhelical location, SHL）+2处与DNA存在单个拷贝的结合。虽然核小体DNA中包含多个SOX家族结合基序，可以结合多拷贝的SOX2，但是通过冷冻电镜的结果作者们确认该核小体DNA序列只能结合一个拷贝的SOX2。

图1 核小体-SOX2复合物的结构

尽管作者们进行了多方尝试，但是关于核小体-SOX2 DNA结合结构域复合物的分辨率仍然有限。考虑到SOX2和SOX11的DNA结合域具有83%的序列相似性【5】，作者们将目光转向了解析SOX11 DNA结合结构域-核小体复合物的结构。在分析过222,731蛋白质复合物的颗粒后，作者们得到了一个详细的3.7 Å分辨率的核小体-SOX11复合物的蛋白质结构重构图。核小体-SOX11复合物的结构几乎与核小体-SOX2复合物完全相同。

进一步地，作者们想通过比较核小体-SOX11复合物与游离的核小体之间的区别来确认SOX11结合对DNA可及性的影响（图2）。通过两者之间的比较，作者们发现在SOX11结合核小体后，SOX11会拓宽DNA小沟大约7 Å，将DNA拉离组蛋白八聚体约3-4 Å的距离，从而增加DNA的弯曲程度（图2）。而DNA的这些变化正是由于SOX11的结合引起的，因此，SOX11通过使用结合能扭转局部的DNA。而且与游离的核小体相比，解析出的SOX11-核小体复合物结构中还包括末端DNA的不同SHL位置远离组蛋白八聚体，说明SOX家族因子与核小体的结合促进了DNA的分离和结构变化，增加的末端DNA的可及性。

图2 核小体-SOX11复合物的结构解析图以及局部DNA扭转

作者们进一步分析发现核小体-SOX11复合物的结构会促进H4 N-端尾巴的重定位。在游离的核小体中，H4尾巴结合到经典位点DNA SHL+2上，但是在核小体-SOX11复合物的结构中+2位置被SOX11 C-端尾巴所占据（图3）。H4尾巴原本占据的位置被取代，然后旋转到新的方向，使得其上功能关键性位点K16位置移动了约33Å。

图3 SOX11的结合促进H4尾巴重定位

总的来说，Patrick Cramer研究组的工作揭开了SOX家族先锋转录因子发挥先锋因子结合作用的结构生物学基础，发现了SOX家族通过与核小体DNA结合扭转DNA从而促进DNA分离产生可及性的具体机制。当然仅仅是SOX家族对于染色质开放过程的调控并不足够，更精细的染色质重塑因子促进染色质高效开放的详细机制的研究方面仍大有可为。

参考文献

1. Iwafuchi-Doi, M. & Zaret, K. S. Cell fate control by pioneer transcription factors. Development (Cambridge, England) 143, 1833-1837, doi:10.1242/dev.133900 (2016).

2. Takahashi, K. & Yamanaka, S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. Cell 126, 663-676, doi:10.1016/j.cell.2006.07.024 (2006).

3. Adachi, K., Suemori, H., Yasuda, S. Y., Nakatsuji, N. & Kawase, E. Role of SOX2 in maintaining pluripotency of human embryonic stem cells. Genes to cells : devoted to molecular & cellular mechanisms 15, 455-470, doi:10.1111/j.1365-2443.2010.01400.x (2010).

4. Zhu, F. et al. The interaction landscape between transcription factors and the nucleosome. Nature 562, 76-81, doi:10.1038/s41586-018-0549-5 (2018).

5. Badis, G. et al. Diversity and complexity in DNA recognition by transcription factors. Science 324, 1720-1723, doi:10.1126/science.1162327 (2009).