超高速視頻級原子力顯微鏡實時成像粘連蛋白介導DNA環(huán)
眼見為實：超高速視頻級原子力顯微鏡實時成像粘連蛋白介導DNA環(huán)擠出的過程
北京佰司特科技有限責任公司
北京佰司特科技有限責任公司
基因組DNA折疊形成環(huán)狀以及拓撲關聯結構域（Topologically associating domains，TADs），從而組成了基因組復雜的三維結構，這些三維結構具有重要的結構和調控作用。先前的研究已經逐漸揭示出基因組結構是由染色體結構維持SMC（Structural maintenance of chromosomes）蛋白復合物所介導的環(huán)擠出（DNA loop extrusion）過程形成的（圖1）。單分子層面的研究表明SMC蛋白復合體和Cohesin蛋白的確能夠將DNA擠壓形成環(huán)狀。因此，關于基因組的三維結構形成研究者們提出了“環(huán)擠出假說”，認為染色體結構維持的SMC復合物組織就基因組的拓撲結構，并通過環(huán)擠出來實現這一功能。但是這一過程的具體細節(jié)是如何進行的還不得而知。
奧地利維也納生物中心 (VBC)分子病理學研究所Jan-Michael Peters研究組發(fā)現粘連蛋白通過“擺動和鉗夾”機制介導 DNA 環(huán)擠出。2021年10月7日出版的《細胞》雜志發(fā)表了這一成果。
他們分析了人類粘連蛋白-NIPBL 復合物如何介導環(huán)擠出，并使間期細胞中的染色質折疊。 他們已經確定了環(huán)擠出所需的 DNA 結合位點和大規(guī)模構象變化，并確定了這些是如何協(xié)調的。他們的結果表明 DNA 通過自發(fā)的 50 nm 擺動的粘連蛋白鉸鏈轉移，將 DNA 交給 SMC3 的 ATPase 頭部，在那里結合 ATP，然后DNA 被 NIPBL 夾住。
在這個過程中，NIPBL 從鉸鏈“跳躍”到 SMC3 頭部，從而可能將自發(fā)鉸鏈擺動與 ATP 依賴性 DNA 夾緊結合起來。 這些結果揭示了粘連蛋白-NIPBL 和可能的其他染色體結構維持 (SMC)復合物如何介導環(huán)擠出的機械原理。
該實驗過程通過借助日本RIBM公司研發(fā)的超高速視頻原子力顯微鏡HS-AFM來完成，HS-AFM突破了傳統(tǒng)原子力顯微鏡“掃描成像速慢”的限制，能夠實現在液體環(huán)境下超快速動態(tài)成像，分辨率為納米水平。待測樣品無需特殊固定，不影響生物分子的活性，尤其適用于生物大分子互作動態(tài)觀測。
目前，一些體外的生化重構實驗一定程度上已經證實了環(huán)擠出假說，這些結果證明SMC蛋白與Cohesin蛋白會以2.1kb/s的速度擠壓DNA，并且這一過程依賴于ATP酶活性（圖2）。但限于實驗分辨率等問題，環(huán)擠出的過程是如何實現的具體細節(jié)還不得而知。
DNA環(huán)擠出過程中具體的構象變化是如何發(fā)生的呢？為了揭開這一過程的全貌，作者們應用了高速原子力顯微鏡（High-speed atomic force microscopy，HS-AFM）對Cohesin進行了實時成像。
DNA環(huán)擠出“擺-夾”“Swing and clamp”模型
在ATP存在的情況下的，Cohesin三聚體復合物中會在環(huán)狀、桿狀以及彎曲狀構象之間的變化。作者們發(fā)現DNA是通過Cohesin蛋白鉸鏈的彎曲進而易位的，這樣將DNA轉移到SMC3的ATP酶活性頭部，在該位置與ATP結合，DNA被NIPBL夾住。在此過程中NIPBL從鉸鏈向SMC3頭部移動，引發(fā)鉸鏈區(qū)域的自發(fā)擺動以及ATP依賴的DNA結合，從而形成一個循環(huán)，使得DNA從鉸鏈延伸到SMC3的頭部，在此循環(huán)周期的末尾，DNA片段可以轉移到SMC1的頭部。由此，作者們提出了DNA環(huán)擠出的“擺-夾”“Swing and clamp”模型，這類似于抓娃娃機的小爪子，可以將通過鉸鏈的彎曲伸出機械手“抓住”DNA，然后上提，從而通過一次次循環(huán)促使DNA逐步環(huán)擠出。
Cohesin mediates DNA loop extrusion by a “swing and clamp” mechanism
Abstract: Structural maintenance of chromosomes (SMC) complexes organize genome topology in all kingdoms of life and have been proposed to perform this function by DNA loop extrusion. How this process works is unknown. Here, we have analyzed how loop extrusion is mediated by human cohesin-NIPBL complexes, which enable chromatin folding in interphase cells. We have identified DNA binding sites and large-scale conformational changes that are required for loop extrusion and have determined how these are coordinated. Our results suggest that DNA is translocated by a spontaneous 50 nm-swing of cohesin’s hinge, which hands DNA over to the ATPase head of SMC3, where upon binding of ATP, DNA is clamped by NIPBL. During this process, NIPBL “jumps ship” from the hinge toward the SMC3 head and might thereby couple the spontaneous hinge swing to ATP-dependent DNA clamping. These results reveal mechanistic principles of how cohesin-NIPBL and possibly other SMC complexes mediate loop extrusion.
作者通過超高速視頻級原子力顯微鏡實時成像，實現了對Cohesin促使的DNA環(huán)擠出過程的全紀錄，從而能夠將DNA從一個結合位點帶到另一個結合位點，揭開了SMC復合體進行基因組的折疊的以及促進復雜基因組三維拓撲結構形成的機制。
這項工作的完成主要借助了日本RIBM公司研發(fā)的超高速視頻原子力顯微鏡HS-AFM，HS-AFM突破了傳統(tǒng)原子力顯微鏡“掃描成像速慢”的限制，能夠實現在液體環(huán)境下超快速動態(tài)成像，分辨率為納米水平。待測樣品無需特殊固定，不影響生物分子的活性，尤其適用于生物大分子互作動態(tài)觀測。推出至今，全球已有100多位用戶，發(fā)表SCI論文300余篇，其中包括Science, Nature, Cell 等頂級雜志。
新品推薦——日本RIBM公司研發(fā)的超高速視頻原子力顯微鏡HS-AFM來到中國
為了更好地服務國內客戶，北京佰司特科技有限責任公司將這款超高速視頻級原子力顯微鏡引進中國，如果您有科研上的需要，歡迎致電聯系我們！
標簽：
視頻級原子力
