研究揭示组蛋白伴侣sNASP-ASF1协同与竞争结合组蛋白H3-H4的分子机制

11月24日，中国科学院生物物理研究所许瑞明团队在Genes & Development上，在线发表了题为Distinct histone H3-H4 binding modes of sNASP reveal the basis for cooperation and competition of histone chaperones的研究论文。该研究揭示了组蛋白伴侣sNASP-ASF1结合组蛋白H3-H4的协同与竞争机制，为阐释组蛋白H3-H4的结合模式及其在组蛋白伴侣网络间的传递提供了新视角。

组蛋白伴侣作为调控染色质组装的重要因子，与真核细胞表观遗传信息的提取与传递紧密相关，其功能异常会影响染色质正确组装，进而影响DNA复制与基因转录、基因组稳定和细胞重编程等生物学过程。此前，科研团队解析了组蛋白伴侣HJURP特异性识别着丝粒区组蛋白变体CENP-A的结构机理（Genes & Development，2011）；揭示了组蛋白变体H3.3被其伴侣蛋白DAXX精确识别的结构基础（NSMB，2012），阐明了Asf1调控组蛋白乙酰化修饰的分子机制（Cell，2018）。然而，关于另一类伴侣蛋白sNASP如何在细胞中结合和存储组蛋白H3-H4以及组蛋白H3-H4如何在伴侣网络中接力传递，其分子机制尚不清楚。这一成果是在该研究方向的重要进展。

该研究发现了人源组蛋白伴侣sNASP在体外同时存在单体和二聚体两种形式，并解析了sNASP TPR结构域二聚体2.9Å的晶体结构。该结构显示sNASP的TPR4 motif中的α8和Coiled-Coil domain（α9）形成一个超长螺旋αC，介导了sNASP二聚体的形成（图A）。αC不参与结合组蛋白H3-H4，但缺少该段结构域，将严重影响核小体的组装。研究团队解析了sNASP-ASF1-H3-H4四元复合物3.0Å的晶体结构，复合物结构显示sNASP以单体形式存在于复合物中，介导sNASP二聚体形成的超长螺旋αC不再与邻近分子配对，而是一分为二（α8和α9），并以180度大转弯折回与自身配对；ASF1通过底物组蛋白H3-H4作为媒介，与sNASP间接作用；sNASP与组蛋白H3-H4之间的相互作用位点主要有两处——H3的N端尾巴中的αN和H4的C端尾巴（图B）。结合体外生化实验和体内细胞荧光共定位技术发现，在ASF1存在的情况下，H3的N端尾巴对于sNASP的结合至关重要。H4的C端尾巴对sNASP的相互作用只起到辅助作用，但当缺少H4的C端尾巴时，ASF1将被踢出去，形成sNASP-H3-H4三元复合物。这提示H4的C端尾巴可以介导组蛋白H3-H4在sNASP-ASF1之间的传递。此外，研究还发现，在没有ASF1的情况下，sNASP以全新的方式结合组蛋白H3-H4。此时的组蛋白H3-H4主要通过其核心区域与sNASP的TPR4 motif以及位于TPR2 motif中间的酸性loop区域存在相互作用。根据论文实验结果并结合先前研究，科研人员提出了组蛋白H3-H4在伴侣网络中接力传递的模式图（图C）。该图全面展示了细胞质中新合成的组蛋白H3-H4通过一系列伴侣蛋白的接力传递，最终进入细胞核进行染色质组装的途径。

研究工作得到国家自然科学基金委员会、国家重点研发计划、中科院战略性先导科技专项和中科院青年创新促进会的资助。安徽大学科研人员亦对本论文做出贡献。

论文链接

人源组蛋白伴侣sNASP-ASF1协同与竞争结合组蛋白H3-H4的结构基础。A、sNASP TPR结构域二聚体的晶体结构；B、sNASP-ASF1-H3-H4四元复合物的晶体结构；C、组蛋白H3-H4在伴侣网络中接力传递的模式图