核小体的编辑具有温度敏感性--DNA序列在组蛋白变体的组装过程中起重要作用

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在真核细胞中，基因转录调控的一项基础机制是对DNA序列可及性（accessibility）的调节。DNA的基本包装单位为核小体，即约147个碱基对长的DNA包装在组蛋白八聚体外。在转录启动子下游的+1位核小体中，组蛋白变体H2A.Z常替换于常规的H2A而出现。通常认为H2A.Z在转录起始阶段有重要作用：其在+1位核小体中的存在使得转录前起始复合体（PIC）更易将其清除，从而促成转录起始的发生。在酵母细胞中，染色质重塑复合体SWR通过两步依赖于ATP水解的酶反应，将核小体中的两套H2A替换为H2A.Z。SWR酶体在启动子处的招募机制之一，是其对于+1核小体启动子一侧的长链DNA的亲和性。本文着重于从分子机制上解释SWR酶体如何选择优先组装长链DNA近端还是远端的H2A.Z，及此机制在细胞内启动子处的意义。

2020年1月7日，美国纽约州立大学石溪分校Ed Luk团队（第一作者为孙露和Leonidas Pierrakeas博士）在Cell Reports杂志上发表文章“Thermosensitive nucleosome editing reveals the role of DNA sequence in targeted histone variant deposition”，以酵母细胞为模式生物详细揭示了SWR酶体插入双拷贝的H2A.Z的分子机制。

本文主要利用体外重组的DNA末端荧光标记的核小体模型，首先建立了单个拷贝的H2A.Z于核小体插入侧的定位方法。这一目标主要通过定点化学裂解（site-specific chemical cleavage）技术而实现，即利用新插入核小体中的H2A.Z定点导向自由基切割其附近的DNA。插入核小体两侧的H2A.Z分别会使得荧光标记的DNA产生不同长度的切割片段，从而实现对于其插入侧的定位。

通过此方法发现，当核小体一侧的SHL2处DNA存在缺口时，SWR酶由于失去一侧的ATP水解酶作用点而使得同侧的H2A.Z不能被插入。由此证实SWR酶体在每一轮组装中，在作用于核小体一侧的SHL2处DNA后，即将其同侧的H2A替换为H2A.Z。值得注意的是，虽然核小体一侧的长链DNA会加速H2A.Z的整体组装，生理温度（30˚C）下却不会使得某一侧的H2A.Z安插快于另一侧。这说明对于只存在于一侧的长链DNA的亲和力并不影响SWR酶自由实现任意侧的H2A.Z组装。

然而在低于生理温度条件时，SWR对H2A.Z的插入侧则产生了偏向性。实验证明低温（直至4˚C）下，H2A.Z将被优先插入于单侧长链DNA的远端。这说明在核小体中仍然存在某种两侧不对称的因素，使得SWR催生的两侧H2A.Z组装过程存在不对称性。这一限制因素在生理温度下影响不大，却因反应温度的降低而显现出来。而低温除了对于整体反应速度的减缓外，也对于SWR酶反应的本质产生了实际影响。

在研究此优先性的来源时发现，在核小体结构中位于SHL3处一段长16碱基对的DNA序列具有决定性作用。当核小体两侧的这一段16bp长序列被置换时，在低温下H2A.Z的插入偏好侧也发生了完全的置换。进一步的观察发现，在这一段序列及其周边序列（SHL3.5 ~ SHL6）中，连续的G/C（>3）序列会促进H2A.Z在这一侧的组装。在酵母细胞中的高通量测序结果分析佐证了此结论：在全部+1核小体中，DNA序列中出现连续G/C序列的频率与H2A.Z的水平呈正相关。

本次研究从分子层面证实了即使当核小体两侧的DNA长度不同，于生理温度下，SWR酶体也可以自由将H2A.Z插入任意一侧。然而在低温下，SWR酶体则会偏向于将H2A.Z先插入长链DNA远端一侧。详细的实验证明这一偏向的产生主要源于DNA序列：当核小体DNA序列中出现的连续G/C（>3）频率较高时，则SWR更易于插入H2A.Z。而这一结果同样适用于活细胞内。

本次研究证明，在变体组蛋白组装的调控中，以H2A.Z为例，其所在核小体DNA的序列可能起到了比通常所认为的更为重要的作用。此外，本研究也首次揭露了染色质重塑复合物的作用结果可能被环境温度所调节，这对于其他染色质重塑复合物作用机制的研究也具有重大意义。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2019.12.006