DNA被緊緊地包裹在細(xì)胞核中。然而，細(xì)胞機器需要不斷訪問基因組信息。一個LMU團隊現(xiàn)在揭示了由蛋白質(zhì)制成的分子馬達(dá)的內(nèi)部工作方式，這些蛋白質(zhì)包裝和解包DNA。

高等生物的基因組DNA以高度濃縮的形式壓縮，稱為染色質(zhì)。DNA緊緊纏繞在無數(shù)微小的組蛋白線軸上，稱為核小體。例如，單個人類細(xì)胞以這種方式容納約2米的DNA。然而，必須不斷地將基因轉(zhuǎn)錄成信使RNA以指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成。此外，必須在細(xì)胞分裂之前復(fù)制整個DNA，并且需要修復(fù)DNA損傷。因此，必須有辦法主動授予對基因組的訪問權(quán)。

這是染色質(zhì)重塑器發(fā)揮作用的時候。染色質(zhì)重塑器具有重要的作用，因為它們是分子機器：它們通過來回滑動核小體線軸，取代單個組蛋白，釋放DNA進行轉(zhuǎn)錄，最后再次壓縮它來取消和解開DNA片段，當(dāng)工作完成時。由于所有這一切都以高度動態(tài)的方式發(fā)生，染色質(zhì)重塑器使細(xì)胞能夠快速反應(yīng)其環(huán)境的變化 - 這對釀酒酵母和人體細(xì)胞都有用。在介導(dǎo)基因可及性方面，染色質(zhì)重塑對于發(fā)育和細(xì)胞分化至關(guān)重要;細(xì)胞類型由它們表達(dá)的基因組定義，重塑器有助于確定細(xì)胞身份。

然而，到目前為止，關(guān)于重塑蛋白質(zhì)的樣子以及它們?nèi)绾巫鏊麄兯龅氖虑橹跎?。在分子術(shù)語中，功能性重塑器通常是非常大的復(fù)合物，其包含許多不同的蛋白質(zhì)組分，其協(xié)同作用使得它們類似于分子機器。這些特征也使得確定其詳細(xì)結(jié)構(gòu)變得非常困難。但是，由LMU基因中心的結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)主席Karl-Peter Hopfner教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊現(xiàn)在使用低溫電子顯微鏡來重建核小體滑動重塑器INO80的三維結(jié)構(gòu)(其本身由15個亞基)與單個核小體結(jié)合。“即使采用創(chuàng)新方法，最好的技術(shù)和密集的團隊合作，我們也始終處于最前沿，”博士說。成千上萬個獨立復(fù)合體的電子顯微照片。

通過分析在電子顯微照片中INO80和核小體之間形成的復(fù)合物的隨機取向視圖的圖像，Hopfner和他的團隊將其結(jié)構(gòu)拼接在一起，該分辨率對于相當(dāng)大小的染色質(zhì)復(fù)合物很少實現(xiàn)。這使得研究人員能夠揭開改造者與其在組蛋白周圍假脫機的基質(zhì)DNA的錯綜復(fù)雜的相互作用，并剖析整個機器的工作原理。

從生化學(xué)的角度來看，改造者負(fù)責(zé)重型重組任務(wù)。為了完成這些任務(wù)，他們必須執(zhí)行“大規(guī)模的構(gòu)象變化，這些變化以驚人的精度進行，”Eustermann說。為了改變核小體的相對位置，INO80復(fù)合物必須首先削弱核小體組蛋白和DNA之間的接觸。作為INO80復(fù)合物一部分的分子馬達(dá)分段地從核小體中分離出雙鏈DNA。在這樣做時，它逐漸破壞通常保持DNA緊密纏繞在組蛋白顆粒周圍的接觸。

運動亞基將DNA導(dǎo)入核小體。這導(dǎo)致瞬時形成雙鏈DNA環(huán)，其可能是核小體上復(fù)雜重塑反應(yīng)的重要中間體。一方面，該環(huán)暴露出一些可被其他組蛋白取代的組蛋白，形成不同類型的核小體。另一方面，環(huán)最終通過另一個亞單位，然后機器充當(dāng)棘輪，允許核小體“移動”在DNA上。在整個解包過程中，復(fù)合物中的其他亞基用于支持和穩(wěn)定部分“裸露的”核小體本身。

新研究中揭示的復(fù)合物結(jié)構(gòu)為染色質(zhì)重塑劑的功能和作用方式提供了新的視角。這些分子機器通過保持染色質(zhì)的靈活性在細(xì)胞的運作中發(fā)揮重要作用從而使遺傳裝置能夠動態(tài)響應(yīng)不斷變化的代謝需求。“我們的結(jié)果提供了他們?nèi)绾巫龅竭@一點的第一個有根據(jù)的圖片，”霍普夫納說。“此外，最近很明顯，重塑者在腫瘤發(fā)生中發(fā)揮著核心作用，因為它們經(jīng)常在腫瘤組織中被錯誤調(diào)節(jié)。因此，對其功能的結(jié)構(gòu)和機制見解對于癌癥新療法的未來發(fā)展至關(guān)重要，”他補充道。