Science | 厘清长期争议！许瑞明/李国红/朱冰合作揭示染色质组装因子CAF-1介导核小体装配的结构基础

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染色质遗传需要染色质组装因子-1 (CAF-1)在DNA复制后重新组装核小体。然而，关于CAF-1的组蛋白结合模式和核小体组装过程的直接知识是缺乏的。

2023年8月25日，中国科学院生物物理研究所许瑞明、李国红、朱冰及刘超培共同通讯在Science在线发表题为“Structural insights into histone binding and nucleosome assembly by chromatin assembly factor-1”的研究论文，该研究报道了在没有组蛋白的情况下，人类CAF-1的晶体结构，以及在与组蛋白H3和H4复合物时，CAF-1的冷冻电镜结构。

一个组蛋白H3-H4异源二聚体主要通过p60亚基和p150亚基的酸性结构域与一个CAF-1复合物结合。该研究还观察到一个二聚体的CAF-1- H3-H4超复合物，其中两个H3-H4异源二聚体准备用于四聚体组装，并发现CAF-1促进了H3-H4四聚体的右向DNA包裹。总之，该研究厘清了CAF-1结合何种组蛋白H3-H4聚合状态的长期争议，捕获到CAF-1促进组蛋白H3-H4二聚体四聚化的中间态构象，并首次发现了CAF-1诱导右手螺旋核小体组装中间态的形成，提示了手性可能是调控核小体装配一个重要手段，刷新了人们对核小体装配过程的认知。

染色质的基本单位是核小体核心粒子(NCP)，它由约147个碱基对(bp)的DNA以左旋形式包裹在组蛋白H3、H4、H2A和H2B的八聚体上。在DNA复制过程中，核小体首先被拆解以允许复制叉前进，然后重新组装以将新合成的DNA包装到染色质中。用于核小体组装的组蛋白中有一半来自亲本，它们被分离到两个新生的DNA双链上，主要以H3-H4四聚体的形式存在。另一半组蛋白是在细胞周期的S期新合成的，并通过称为从头组装的逐步过程沉积到DNA上，其中新合成的组蛋白H3和H4首先沉积到DNA上形成四体，然后添加两个组蛋白H2A-H2B二聚体形成NCP。进化上保守的CAF-1复合体负责DNA复制耦合核小体组装，这对于基因组完整性和表观遗传至关重要。尽管取得了很大的进展，但CAF-1的结构和功能研究，包括其组蛋白结合模式，还需要进一步突破，以充分了解染色质忠实遗传的机制。

CAF-1是基于其在SV40 DNA模板体外复制过程中促进核小体从头组装的能力而发现的。它结合新合成的H3.1-H4组蛋白，并与组蛋白H3-H4伴侣蛋白ASF1和复制过程因子增殖细胞核抗原(PCNA)合作，促进其在S期的复制叉上沉积。人的CAF-1对体内复制偶联染色质组装至关重要，但相应的酵母复合体的破坏不会明显影响细胞生长。这可能是由于酵母中存在替代染色质组装途径。此外，CAF-1在紫外线诱导的DNA损伤后的染色质修复中发挥重要作用，并在细胞命运的决定和维持中发挥重要作用。

CAF-1和H3-H4的2:2复合物（图源自Science）

人类CAF-1由p150 (CHAF1A)、p60 (CHAF1B)和p48 (RBBP4/RbAp48)亚基组成。p150含有多种与复制机制和染色质因子相互作用的基元，包括DNA结合的KER和WHD结构域以及与组蛋白结合有关的高酸性ED区域。p150的N端区域被证明是不可缺少的，而中间和C端区域分别对结合组蛋白和p60很重要。p60和p48亚基都是WD40重复蛋白，已知可形成β-螺旋桨支架。p60在DNA合成和修复中发挥重要作用，并参与各种恶性肿瘤的进展。它包含一个C端ASF1相互作用基序(B结构域)，可能促进H3-H4向CAF-1的转移。重要的是，p60直接结合H3-H4，是CAF-1核小体组装活性所必需的。p48是一种多功能组蛋白H3-H4伴侣蛋白，存在于许多组蛋白修饰酶和核小体重塑复合物中。可以想象，它可能将CAF-1在核小体组装中的功能与组蛋白修饰的安装结合起来。

中国科学院生物物理研究所许瑞明研究员，李国红、朱冰和刘超培研究员为本文的共同通讯作者。刘超培研究员，郁珍瑜和熊俊副研究员、胡杰、宋傲群和丁栋博为本文的共同第一作者。哥伦比亚大学张志国教授、南开大学杨娜教授、安徽大学王明珠教授、生物物理所李伟和章新政研究员对该论文提供了重要指导。该研究获得了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、中国科学院青促会和腾讯新基石等项目的资助，上海同步辐射光源、生物物理所生物成像中心和蛋白质科学平台提供了重要的技术支持。

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