Science：我国科学家从结构上揭示CAF-1参与核小体组装机制

细胞分裂过程中的染色质遗传涉及 DNA 的复制和核小体在复制的 DNA 上的组装，因为 DNA 复制叉的通过会破坏 DNA 上的核小体。这种DNA复制偶联的核小体组装（DNA replication-coupled nucleosome assembly）所需的组蛋白一半来自被破坏的亲代核小体，另一半是新合成的。

染色质组装因子-1（chromatin assembly factor-1, CAF-1）是一种进化保守的异源三聚体蛋白复合物，负责将新合成的组蛋白 H3 和 H4 沉积到 DNA 上。然而，CAF-1结构信息的缺乏阻碍了人们对从头组装核小体的分子机制的了解。

在一项新的研究中，中国科学院生物物理研究所的许瑞明（Xu Ruiming）教授、李国红（Li Guohong）教授、朱冰（Zhu Bing）教授、刘超培（Liu Chaopei）教授及其研究团队报告了人类CAF-1核心结构域在不存在组蛋白的情形下的晶体结构，并且利用低温电镜解析出CAF-1与组蛋白H3-H4结合在一起时的高分辨率结构。体外超卷曲试验（supercoiling assay）和体内新生核小体图谱分析证实了这些结构发现。他们还利用单分子自由轨道磁镊（freely orbiting magnetic tweezer, FOMT）方法研究了由 CAF-1 组装的核小体前体的手性。相关研究结果发表在2023年8月25日的Science期刊上，论文标题为“Structural insights into histone binding and nucleosome assembly by chromatin assembly factor-1”。

CAF-1 核心结构域的晶体结构显示，在没有组蛋白的情况下，它采用双叶结构，而且它的p48 和 p60 亚基通过 p150 亚基的中间结构域自由地拴在一起。当与 H3-H4 异源二聚体结合时，p48 和 p60 会紧紧抓住拉长的 H3-H4 异源二聚体的两端，而 p150中带负电荷的 ED 环则穿过 H3-H4 二聚体带正电荷的弯曲表面，以确保这种结合。

体外组蛋白结合和质粒超卷曲试验以及体内核小体组装分析表明，ED 环的羧基末端部分在 CAF-1 的组蛋白结合和核小体组装活动中发挥着特别重要的作用。这种观察到的组蛋白结合模式确保只有一个 H3-H4异源二聚体被 CAF-1 复合物结合，因为以 H3-H4 四聚体的方式连接第二个 H3-H4 二聚体会被 p60 立体禁止，这表明 H3-H4 四聚体的形成是受调控的。位于与 H4 交界处的 p60 癌症突变会对细胞增殖产生不利影响，并导致基因表达的全面改变。这些影响可能反映了 CAF-1 在染色质可及性和异染色质完整性方面的功能。

CAF-1与组蛋白H3和H4结合时和不结合时的三维结构。图片来自Science, 2023, doi:10.1126/science.add8673。

这些作者证实了短 DNA 寡聚体的加入会促进 CAF-1-H3-H4 复合物的二聚化。一种2:2 CAF-1-H3-H4 复合物的低温电镜结构显示，两个 H3-H4 异源二聚体位于附近，H3 二聚化界面已准备好相互作用，但并不完全符合 H3-H4 四聚体的几何构型。鉴于较长的 DNA 片段将 H3-H4 包裹成四聚体，DNA 的长度可能是 CAF-1 介导形成 H3-H4 四聚体的关键因素。利用147碱基对(bp)核小体定位的Widom 601 DNA，他们发现通过盐透析组装了右旋的CAF-1结合的ditetrasome。这一发现通过生理盐浓度下的单分子 FOMT 得到了证实，表明染色质复制中可能存在不寻常的核小体前体。

综上所述，这项新的研究揭示了 CAF-1 的组蛋白结合模式。它还阐明了 DNA 在 CAF-1-H3-H4 复合物的二聚化和 H3-H4 四聚体的组装中的作用，并表明右旋核小体前体参与了DNA复制偶联的核小体组装。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Chao-Pei Liu et al. Structural insights into histone binding and nucleosome assembly by chromatin assembly factor-1. Science, 2023, doi:10.1126/science.add8673.