何新建实验室发现一类偶联组蛋白H2A.Z组装与核小体滑动的植物特异染色质重塑复合体

2020年3月2日，北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院何新建实验室在《EMBO Journal》杂志在线发表了题为“A plant-specific SWR1 chromatin remodeling complex couples histone H2A.Z deposition with nucleosome sliding”的研究论文。该研究鉴定了拟南芥中负责组蛋白变体H2A.Z组装的SWR1复合体的全部组分，发现该复合体能够招募负责核小体滑动的ISWI染色质重塑蛋白，从而偶联H2A.Z组装与核小体的滑动，调控拟南芥的基因表达、发育和开花时间。

SWR1染色质重塑复合体最早是在酵母中被发现的，该类复合体在酵母中能够将染色质上的H2A置换为H2A.Z，从而调控酵母的基因表达。随后，该复合体在果蝇、线虫和人中相继被发现。SWR1复合体参与调控染色质上很多重要生物学过程，例如转录调节、DNA修复、染色体复制等。在拟南芥中，之前的研究发现了SWR1复合体的一些保守组分，发现其调控植物生长发育、育性及开花时间。然而，植物中SWR1复合体的详细组分尚未系统鉴定，这制约了我们对植物中该复合体功能机制的理解。

何新建实验室在拟南芥中分离了SWR1蛋白复合体，并利用质谱分析鉴定了该复合体的全部组分。发现该复合体不仅包含与其他真核生物同源的保守组分，例如核心催化亚基PIE1，还包含多个植物特有组分，包括MBD9, CHR11, CHR17, TRA1a, TRA1b。MBD9是一种含有methyl-CpG-binding结构域的蛋白；CHR11和CHR17 （CHR11/17）是 ISWI染色质重塑复合体的核心组分，负责通过核小体的滑动维持染色质上基因区域核小体的规律排布； TRA1a和TRA1b（Tra1a/1b）是NuA4组蛋白乙酰转移复合体的成员。进一步通过质谱分析、酵母双杂交和体外pull-down实验，该研究发现MBD9在SWR1复合体中发挥“桥梁”作用，连接SWR1的核心催化亚基PIE1和负责核小体滑动的ISWI重塑蛋白CHR11/17，从而揭示拟南芥中SWR1复合体可能具有偶联H2A.Z组装与核小体滑动的功能（图1）。

图1 基于IP-MS结果总结的SWR1复合体内各组分相互作用的示意图

通过RNA-seq实验，该研究发现MBD9, CHR11/17和其他SWR1复合体成员共同调控了一系列基因的表达，进一步证实这些蛋白在一起形成了一个大的复合体，共同发挥调控作用。通过核蛋白中H2A.Z含量的分析以及一系列的ChIP-seq实验，发现SWR1复合体中的植物特异组分MBD9, TRA1a和 TRA1b 是H2A.Z在染色体上组装所必需。CHR11/17不是H2A.Z组装的必需组分，而在染色质上部分位点调控H2A.Z的组装。体外的核小体滑动实验表明，CHR11具有滑动核小体的活性而PIE1没有。MNase-seq实验发现，CHR11/17在全基因组水平上负责核小体在基因区域的规律排布，而PIE1和MBD9不参与核小体排布的调控。以上结果表明，拟南芥中新发现的SWR1复合体能够招募负责核小体滑动的ISWI染色质重塑蛋白CHR11/17，从而促进H2A.Z置换和核小体滑动的偶联，协同作用，共同调控基因表达、生长发育和开花时间（图2）。该研究拓展了人们对于不同染色质重塑蛋白之间协同工作的认识，对于拟南芥中染色质复合体的研究具有重要意义。

图2 SWR1复合体偶联H2A.Z置换与核小体滑动的分子机制示意图

何新建实验室的博士后罗寓熹与侯晓梅是该论文的第一作者，其他作者还包括何新建实验室的张翠军、谭连美、邵常荣、林荣楠、苏银娜、蔡雪薇以及蛋白质中心的李琳与陈涉。何新建博士为该论文的通讯作者。该研究得到了科技部、北京市政府的资助，在北京生命科学研究所完成。

论文链接：

http://dx.doi.org/10.15252/embj.2019102008