撰文 | 啾啾椰
SWR1复合物是一种多亚基ATP依赖的染色质重塑复合物，在酵母中具有独特的功能，可以将核小体中的H2A-H2B二聚体替换为变体Htz1-H2B二聚体【1-3】。Htz1-H2B二聚体的插入能改变核小体的结构，提高染色质的动态，有助于特定基因的激活【1-3】。然而，SWR1复合物如何识别并特异性替换H2A-H2B的具体机制仍不清楚。
传统观点认为，SWR1复合物的二聚体替换过程是“分布式”的，即每次SWR1与核小体结合后只完成单个二聚体的替换，之后核小体从SWR1解离，再进行第二次结合来完成第二个二聚体的替换【4】。这种模式下，核小体需要多次与SWR1复合物解离并重新结合才能完成完整的替换。
近日，来自帝国理工学院的Dale B. Wigley和David S. Rueda在Nature上发表了题为Nucleosome flipping drives kinetic proofreading and processivity by SWR1的文章，通过单分子荧光共振能量转移 （smFRET） 技术和冷冻电子显微镜 （cryo-EM） 技术，提出了另一种替换机制，称为 “持续性（processivity）替换” ，即SWR1在一个结合事件中可以完成两个二聚体的连续替换。
首先，研究人员通过单分子FRET实验，验证了SWR1复合物在一个结合事件中可以连续替换两个H2A-H2B二聚体。SWR1在完成一个二聚体的替换后无需解离即可继续下一个替换，这展示出持续性特点。
图1：smFRET观察到连续替换事件。
为了实时检测核小体在不同构象之间的翻转状态，研究人员在DNA末端和SWR1复合物上标记荧光分子，通过FRET信号变化，进一步揭示了核小体在SWR1结合期间会在不同构象间翻转。核小体的翻转使得不同的二聚体表面暴露给SWR1复合物，允许SWR1在一个结合事件中完成两次替换。这一翻转机制解释了SWR1为何能够在不解离的情况下完成两次替换，并确保替换的连续性。
图2：SWR1在核小体的不同表面之间翻转的过程。
为了分析SWR1复合物在与核小体结合时如何区分和选择性识别不同的组蛋白二聚体 （如H2A-H2B和Htz1-H2B） ，研究者在核小体中的不同二聚体 （例如H2A-H2B和Htz1-H2B） 上标记荧光分子，通过FRET信号的变化检测SWR1的结合偏好。结果表明SWR1更倾向于与H2A面结合，而较少与Htz1面结合。这一发现支持了动力学校对机制 （kinetic proofreading） 的假设，即SWR1可以通过检测二聚体的构象状态来分辨H2A和Htz1，从而精确地选择并替换H2A-H2B二聚体，避免对已插入的Htz1-H2B二聚体的误替换。
最后，他们用冷冻电镜 （cryo-EM） 解析了SWR1与标准核小体结合的两种构象，发现SWR1通过与核小体不同的DNA环 （下环或上环） 结合，使核小体在不同方向上翻转，从而在替换过程中实现动力学调节。
图3：SWR1介导的核小体翻转过程与SWR1如何选择性地识别并替换核小体二聚体。
本研究通过单分子和结构生物学方法揭示了SWR1的持续性和动力学校对机制，即SWR1可以通过核小体的动态翻转实现特异性识别，并连续地替换H2A-H2B二聚体。同时，研究提供了SWR1与核小体不同构象结合的分子基础，阐明了SWR1如何通过不同的结合构象来调控替换过程。这一发现不仅扩展了对SWR1复合物的理解，还为染色质重塑的调控机制提供了新的视角。未来可以在更复杂的生物环境中进一步探讨该机制的适用性，并探索其在基因调控和疾病治疗中的应用潜力。
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08152-y
制版人：十一
参考文献
1. Krogan, N. J. et al. A Snf2 family ATPase complex required for recruitment of the histone H2A variant Htz1.Mol. Cell12, 1565–1576 (2003).
2. Mizuguchi, G. et al. ATP-driven exchange of histone H2AZ variant catalyzed by SWR1 chromatin remodeling complex.Science303, 343–348 (2004).
3. Kobor, M. S. et al. A protein complex containing the conserved Swi2/Snf2-related ATPase Swr1p deposits histone variant H2A.Z into euchromatin.PLoS Biol.2, e131 (2004).
4. Luk, E. et al. Stepwise histone replacement by SWR1 requires dual activation with histone H2A.Z and canonical nucleosome.Cell143, 725–736 (2010).
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