细胞的“主调控者”是如何使DNA可用于基因表达的

Cbf1 bound to DNA and histones — 图片:宾夕法尼亚州立大学和俄亥俄州立大学的研究人员进行的一项新研究有助于解释称为先锋因子（Pioneer Factor）如何打开核小体的。这张图片描绘了酵母Cbf1先锋因子与核小体的DNA和组蛋白组分相互作用的分子结构。
资料来源:宾州州立大学Song Tan实验室

对被称为“先锋因子”（Pioneer Factor）的蛋白质的新见解有助于解释它们打开我们细胞内通常密集的遗传物质的不寻常能力。这种行为使得参与重要细胞过程的蛋白质可以接触到遗传物质，例如DNA复制和修复、基因表达和蛋白质的产生。这项研究是由宾夕法尼亚州立大学和俄亥俄州立大学的一组研究人员进行的，他们使用了结构生物学、生物物理学和细胞生物学的独特组合来了解基因组的这些“主调节器”如何与核小体相互作用。核小体是所有真核细胞(从酵母到人类)基因组的基本单位。

细胞核内的DNA通常包裹在称为组蛋白的蛋白质上，并包裹在称为核小体的密集复合物中。核小体类似于DNA链上的珠子，它们进一步聚集在一起形成染色质，然后染色质组成染色体。

宾夕法尼亚州立大学生物化学和分子生物学及物理学副教授、研究小组负责人之一Lu Bai说：“核小体是许多蛋白质与染色质结合的屏障，但先锋因子具有特殊性质，它们可以侵入核小体并产生可被其他因子进入的开放区域，正因为如此，它们有时被认为是基因的‘主调节器’。在这项研究中，我们使用了多种方法来更好地理解先锋因子是如何侵入核小体的。”

这项研究发表在4月20日的《分子细胞》杂志上。

先锋因子是一种转录因子——对转录过程至关重要的蛋白质，在转录过程中，DNA被复制到RNA蓝图中，产生蛋白质。虽然许多转录因子可以与核小体结合，但大多数都很快脱落。相比之下，先锋因子具有所谓的“解离补偿机制”（dissociation compensation mechanis，生物通注），使它们能够在较长时间内稳定地与核小体结合。

研究小组比较了出芽酵母中一种叫做Cbf1的先锋因子和一种叫做Pho4的非先锋转录因子。这两种蛋白质具有相似的整体结构和识别相同DNA序列的能力，但它们在核小体周围的行为不同。利用低温电子显微镜的敏感成像技术，研究人员确定了先锋因子上的一种结构，他们认为这种结构有助于其侵入核小体的能力。

宾夕法尼亚州立大学分子生物学教授、研究小组负责人之一Song Tan说，“基于我们的低温电子显微镜结构，Cbf1不仅与核小体的DNA部分相互作用，而且通过其螺旋-环-螺旋区域与核小体内的组蛋白相互作用，我们怀疑这种相互作用有助于阻止Cbf1像非先锋因子一样迅速分离。”

为了确认螺旋-环-螺旋区域的作用，研究小组制作了每种蛋白质的“嵌合体”，从先锋因子中去除一个螺旋-环-螺旋，并在非先锋转录因子中添加一个。然后他们测量这些嵌合体与核小体分离的速度。

该研究小组负责人之一Michael Poirier说:“从先锋因子中去除螺旋-环-螺旋会导致更快的解离，从而减少解离补偿现象，显著降低先锋因子的有效性。令人惊讶的是，添加螺旋-环-螺旋区域将先锋因子属性赋予了非先锋因子。”

为了进一步证实他们的结果，研究人员探索了这些嵌合体如何在活酵母细胞中发挥作用。他们发现，先锋因子和非先锋嵌合体经过修饰，表现得像先锋因子一样，都促进了核小体的侵入和打开。这些结果共同有助于解释Cbf1等先驱因子如何进入核小体并增加其他因子的DNA可及性。

“如果没有我们三个独立小组的专业知识，这项研究是不可能的，”Tan说，“我的小组专注于结构生物学，俄亥俄州立大学的Michael Poirier小组专注于单分子生物物理学，宾夕法尼亚州立大学的Lu Bai小组专注于体内细胞生物学。这是一种奇妙的协同合作，并产生了一些想法和结果，而这些想法和结果是我们中的一个或甚至两个小组自己不会想到的。我们正在继续这种合作，探索其他先锋因子和核小体的相互作用"。