真核生物細(xì)胞中,大部分基因組DNA被組蛋白八聚體纏繞形成核小體,并進(jìn)一步折疊成染色質(zhì),維持基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定,但同時(shí)也對(duì)轉(zhuǎn)錄因子形成了天然屏障。然而,一類(lèi)被稱(chēng)為“先鋒轉(zhuǎn)錄因子”(pioneer transcription factor)的特殊因子能夠突破這一障礙。它們能直接結(jié)合核小體,并可以靶向沉默狀態(tài)的染色質(zhì),隨后招募其他表觀(guān)因子、染色質(zhì)重塑蛋白等,改變?nèi)旧|(zhì)可及性進(jìn)而調(diào)控基因表達(dá)網(wǎng)絡(luò),建立細(xì)胞的新命運(yùn)【1,2】
RFX5是目前唯一被報(bào)道具有此類(lèi)“先鋒”功能的RFX家族成員,主要參與第二類(lèi)主要組織相容性復(fù)合體(class II major histocompatibility complex,MHC II)的表達(dá)調(diào)控,其功能缺失會(huì)導(dǎo)致裸淋巴細(xì)胞綜合征(Bare lymphocyte syndrome,BLS)等疾病【3】。前期研究表明,RFX5在體外可以結(jié)合核小體,并在體內(nèi)能夠介導(dǎo)核小體重塑,但其具體的分子機(jī)制尚未明確【4】。
2025年7月31日,同濟(jì)大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬上海市第四人民醫(yī)院許可教授、尹貽蒙教授、上海有機(jī)化學(xué)研究所張一小研究員和清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院陳春來(lái)副教授聯(lián)合在Nucleic Acids Research上發(fā)表了文章Structural basis of nucleosome binding and destabilization by the extended DNA binding domain of RFX5,首次從結(jié)構(gòu)層面揭示了RFX5如何結(jié)合核小體并調(diào)控其狀態(tài)。

研究團(tuán)隊(duì)首先通過(guò)NCAP-SELEX技術(shù)篩選獲得了RFX5高親和力的核小體DNA序列,并在此基礎(chǔ)上利用冷凍電鏡技術(shù)解析了RFX5延長(zhǎng)DNA結(jié)合域(eDBD)與核小體復(fù)合物的結(jié)構(gòu)(分辨率3.3 ?)。結(jié)構(gòu)顯示,RFX5 eDBD結(jié)合在核小體SHL +2位置,通過(guò)大量氫鍵和DNA結(jié)合。同時(shí),RFX5的 Glu102和組蛋白H2A的 Arg78和H2B的 Ser57之間形成氫鍵。這種轉(zhuǎn)錄因子與組蛋白的相互作用,在多個(gè)先鋒轉(zhuǎn)錄因子中被證明對(duì)其結(jié)合核小體至關(guān)重要,提示Glu102可能是RFX5實(shí)現(xiàn)核小體結(jié)合的關(guān)鍵位點(diǎn)。此外,RFX5的結(jié)合引發(fā)了結(jié)合位點(diǎn)DNA的局部扭曲,并誘導(dǎo)SHL -4以外的DNA從核小體上解離,顯著提高了DNA的可及性。為驗(yàn)證這一結(jié)構(gòu)變化,研究人員開(kāi)展了MNase酶切實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)RFX5-核小體復(fù)合物的消化產(chǎn)物顯著短于單獨(dú)核小體,提示復(fù)合體中的DNA更容易被酶切。進(jìn)一步的FRET實(shí)驗(yàn)也觀(guān)察到RFX5結(jié)合后FRET信號(hào)顯著降低,反映DNA末端從核小體上解離。這些結(jié)果從結(jié)構(gòu)與功能兩個(gè)層面共同驗(yàn)證了RFX5通過(guò)結(jié)合核小體,提升核小體DNA可及性的能力。??????????
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為探究RFX5在細(xì)胞內(nèi)和核小體的結(jié)合特征,研究團(tuán)隊(duì)分析了HEK293和H9細(xì)胞的MNase-ChIP數(shù)據(jù),結(jié)果顯示RFX5可以結(jié)合于核小體的多個(gè)位置,并且在SHL +2位置處有明顯的富集信號(hào)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)RFX5結(jié)合在核小體SHL +2位置時(shí),核小體SHL –4 之外的DNA 區(qū)域顯著富集了其他轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn)(motif),提示RFX5介導(dǎo)的核小體DNA可及性增加,為后續(xù)其他轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合創(chuàng)造了有利條件。
總之,該研究首次提供了RFX5結(jié)合核小體并打開(kāi)DNA的結(jié)構(gòu)證據(jù),為先鋒轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控核小體狀態(tài)的分子機(jī)制提供了新的見(jiàn)解。
國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究(上海)設(shè)施為該工作中電鏡數(shù)據(jù)收集提供技術(shù)支持。
原文鏈接:
https://doi.org/10.1093/nar/gkaf734
參考文獻(xiàn)
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3.V. Steimle,B. Durand,E. Barras,M. Zufferey,M. R. Hadam,B. Mach,W. Reith,A novel DNA-binding regulatory factor is mutated in primary MHC class II deficiency (bare lymphocyte syndrome). Genes Dev 9,1021-1032 (1995).
4. F. Zhu,L. Farnung,E. Kaasinen,B. Sahu,Y. Yin,B. Wei,S. O. Dodonova,K. R. Nitta,E. Morgunova,M. Taipale et al.,The interaction landscape between transcription factors and the nucleosome. Nature 562,76-81 (2018).