单分子力谱定量剖析泛素修饰对基因调控

人类基因组包罗约莫31.6亿个DNA碱基对，线性DNA分子作为庞大遗传信息的载体一般都比力长（人类一条染色体的DNA长度约为2米），生命通过组卵白将DNA分子有序组织压缩形成微米级此外染色质存储到细胞核中。核小体是染色质的结构和功效的最基本单元，其中DNA缠绕在组卵白巴聚体周围约两圈，完成对DNA的第一次组装压缩。为了读取基因密码，染色质中的DNA需要时刻从组卵白八聚体上解离，信息读取完毕后DNA快速正确地联合组卵白八聚体恢复染色质结构。因此染色质结构高度动态的开合是细胞核内染色质的主旋律。

为了保证准确的读取基因密码，动态调控染色质结构，生命进化出了纷繁庞大的调控方式，好比DNA甲基化修饰，组卵白甲基化、乙酰化、泛素化等修饰，组卵白变体，种种染色质朋友，多种染色质重塑因子。如何定量的形貌这些调控因素对染色质的影响，是人们正确认识基因转录机理的关键所在。单分子力谱技术是准确操控生物大分子，在单分子水平上跟踪生物大分子动态结构和化学反映的利器，资助人们以全新的视角定量剖析生物大分子的动态结构，回覆以上关键问题。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心软物质实验室SM1组的李伟副研究员恒久从事单分子力谱技术的生长和应用，与生物学家互助在染色质动态结构和调控方面取得了一系列重要的希望（Molecular Cell 2016，2018）。

最近，与首都医科大学陈萍教授课题组以及生物物理所李国红研究员课题组互助，在国际上首次丈量了组卵白H2AK119泛素修饰对核小体结构的影响，而且建设了单分子系统实时视察去泛素酶USP21敲去泛素的逆历程。使用刚刚建设的基于GPU盘算的高通量高分辨单分子磁镊力谱技术，剖析了组卵白H2AK119位置的单泛素修饰能够锁定DNA剥离，将核小体自由能从30kJ/mol降低至200kJ/mol，极大的增强了核小体结构的稳定性。而且，进一步确定出一个H2AK119泛素修饰卖力锁定半圈核小体DNA。这部门事情直接回覆了H2AK119泛素修饰在基因缄默沉静方面发挥作用的分子机理。最后，他们实时再现了去泛素酶USP21联合核小体上，敲去H2AK119泛素的动态历程，进一步证明晰组卵白H2A泛素修饰通过锁定DNA，阻止DNA从组卵白八聚体上剥离，完成基因缄默沉静的功效。相关事情揭晓在2020年JACS期刊，并被推荐为Top5%文章。

中科院物理研究所软物质物理实验室的李伟副研究员和首都医科大学的陈萍教授为文章的配合通讯作者，物理研究所博士研究生肖雪、生物物理所刘翠芳助理研究员及生物物理研究所硕士研究生裴迎新为配合第一作者。该事情获得了国家自然科学基金委、科技部和中科院前沿重点项目的资助。

图1. 单分子力谱技术剖析H2A泛素增强核小体力学稳定性。（a）核小体AFM图像。（b）磁镊示意图。（c）通例核小体（上）和泛素核小体的拆解动力学。（d）拆解外力统计。（e）通例核小体折叠去折叠动态结构恒力跟踪。（f）泛素核小体折叠去折叠动态结构恒力跟踪。

图2.去泛素酶USP21联合核小体动力学历程。（a）USP21联合组卵白H2A胶图。（b）USP21处置惩罚后的核小体回归通例核小体状态。（c）USP21联合双泛素（上）和单泛素核小体（下）动力学历程。

图3.泛素修饰增强核小体力学稳定性，实现基因缄默沉静的调控功效。

编辑：米老猫