H2A与H2B泛素化通过调控核小体稳定性与动力学发挥相反表观遗传功能的分子机制

《Epigenetics & Chromatin》：Mechanistic basis for the opposing effects of H2A and H2B ubiquitination on nucleosome stability and dynamics

本研究针对H2AK119ub（转录抑制）与H2BK120ub（转录激活）对染色质调控的相反效应机制不清的问题，通过微秒级全原子和毫秒级粗粒度分子动力学模拟，揭示了位点特异性泛素化通过重塑核小体L1-L1界面稳定性、二聚体-四聚体相互作用及DNA动态，进而调控核小体组装路径与动力学的分子基础。该研究为理解组蛋白修饰组合调控染色质功能提供了定量机制框架。

　　

在细胞核内，DNA并非裸露存在，而是紧密缠绕在组蛋白核心上形成核小体——染色质的基本结构单元。核小体的稳定性与动态变化直接调控着基因的转录、复制与修复等关键细胞过程。组蛋白尾部发生的多种翻译后修饰是调控染色质结构和功能的重要方式之一。其中，组蛋白H2A第119位赖氨酸的单泛素化（H2AK119ub）和组蛋白H2B第120位赖氨酸的单泛素化（H2BK120ub）是两种含量丰富的修饰，但它们却与截然相反的染色质状态相关：H2AK119ub通常存在于转录抑制的异染色质区域，而H2BK120ub则与转录活跃的常染色质区域相关联。尽管这些关联已被实验证实，但一个核心问题始终悬而未决：同样是添加一个76个氨基酸的泛素分子，仅仅因为连接在组蛋白H2A和H2B上的位置不同，为何会导致如此相反的生物学效应？其背后的物理化学机制究竟是什么？为了解决这一难题，伊利诺伊理工学院的研究团队在《Epigenetics & Chromatin》上发表了他们的最新研究成果。

为了揭示H2A和H2B泛素化对核小体功能的相反调控机制，研究人员综合运用了多尺度的计算模拟方法。首先，他们构建了经典核小体以及H2AK119ub和H2BK120ub修饰的核小体初始结构。随后，研究团队进行了长时间尺度的分子动力学模拟：包括在原子水平上进行的微秒级全原子分子动力学模拟，以及在更大时间尺度上进行的毫秒级粗粒度分子动力学模拟。其中，粗粒度模拟的力场参数经过了精心校准，特别是对于泛素与组蛋白之间的异肽键连接。通过对海量模拟轨迹数据的分析，并结合马尔可夫状态模型这一强大的动力学建模工具，研究人员得以定量地描绘核小体从部分组装状态到完全组装的动态折叠路径和能量景观，从而在分子细节上阐释了两种泛素化修饰的差异效应。

研究结果首先揭示了泛素分子在核小体上的动态行为差异。全原子模拟显示，连接在H2A C末端尾部（H2AK119ub）的泛素具有更大的运动范围，并能与核小体DNA的入口端和AT富集的出口端等多个位点发生较强的相互作用，其与DNA的净结合能为负值，表明结合有利。相比之下，连接在H2B α螺旋上（H2BK120ub）的泛素运动受限，与DNA的相互作用更弱甚至是不利的。

更为关键的是，泛素化位点特异性地改变了H2A-H2B二聚体在核小体核心内的运动和稳定性。研究人员通过分析二聚体相对于核小体对称轴（dyad axis）的倾斜角发现，H2BK120ub导致两个二聚体均向外倾斜，而H2AK119ub的影响则具有不对称性。这种运动差异直接影响了二聚体之间的界面，特别是H2A组蛋白的L1环（L1-loop）之间的接触（L1-L1界面）。接触分析表明，H2AK119ub显著增强了L1-L1界面以及其他二聚体-四聚体界面的相互作用，使接触数增加。相反，H2BK120ub则破坏了这些界面接触，导致二聚体之间以及二聚体与（H3-H4）2四聚体之间的相互作用减弱。分子力学/广义波恩表面积（MM/GBSA）结合能计算证实，H2AK119ub使二聚体与六聚体（hexamer）核心的结合更加稳定，而H2BK120ub则使结合变得不利。

这些核心结构的改变进一步影响了DNA的动力学。DNA解缠绕（“呼吸作用”）分析显示，与经典核小体相比，H2BK120ub核小体的DNA表现出更大的解缠绕倾向，而H2AK119ub核小体的DNA则更加稳定，解缠绕程度最低。此外，基于原子运动的互信息分析表明，H2BK120ub显著降低了核小体内部组蛋白与组蛋白、组蛋白与DNA之间的长程动力学耦合，而H2AK119ub的影响相对较小且模式不同。这说明H2BK120ub在整体上“松动”了核小体的内部结构。

为了探究这些微观动态变化如何影响核小体组装这类长时程过程，研究人员利用粗粒度模拟和马尔可夫状态模型（MSM）分析了核小体的折叠路径和能量景观。结果表明，虽然基本的组装路径（从四体（tetrasome）到六体（hexasome）再到完整的核小体）没有改变，但两种泛素化修饰都极大地延缓了组装动力学。更重要的是，它们显著改变了不同组装状态的相对稳定性。在经典核小体中，完全组装的核小体状态（N）是能量最低、最稳定的状态。然而，在泛素化系统中，部分组装的中间态，特别是四体（T）和六体（HR， HL）状态变得相对更稳定。H2AK119ub使核小体（N）状态的自由能升高了约6.5 kcal/mol，而H2BK120ub的 destabilization 效应更强，使N状态的自由能升高了约10 kcal/mol。这意味着在平衡状态下，泛素化的核小体更倾向于以部分解离的、更开放的状态存在。从四体到核小体的平均首次通过时间（MFPT）分析显示，H2AK119ub使组装速度减慢了一个数量级，而H2BK120ub则减慢了两个数量级，且折叠路径变得更加弥散和低效。

综上所述，这项研究通过多尺度分子模拟，清晰地揭示了H2A和H2B泛素化对核小体施加相反影响的分子机制。H2AK119ub通过其泛素与DNA的相互作用以及间接稳定关键的L1-L1界面，使核小体核心更加刚性，DNA包裹更稳定，从而减缓组装并倾向于维持一个更封闭的结构，这为其在转录抑制中的作用提供了物理解释。相反，H2BK120ub通过破坏二聚体界面和核心稳定性，使核小体整体变得松散、动态增加，DNA更容易解缠绕，并强烈偏向于部分组装的中间态，这有利于染色质解压缩和转录因子等机器的接近，与其在转录激活中的功能一致。

该研究首次在原子细节和动力学路径上定量地阐明了位点特异性组蛋白泛素化如何通过改变核小体的物理性质来调控其功能，将抽象的“表观遗传标记”与具体的“生物物理稳定性”直接联系起来。这一机制框架不仅解释了H2AK119ub和H2BK120ub的经典拮抗作用，也提示组蛋白修饰的组合可能通过类似方式精细调控染色质的可及性，为理解表观遗传密码的读写机制提供了新的视角。研究所预测的核小体稳定性变化和中间态富集等现象，为后续利用单分子荧光共振能量转移（smFRET）和光镊等技术进行实验验证指明了方向，对深入理解基因表达调控、DNA损伤修复等基本生命过程具有重要意义。