解析 BAF-Lamin A/C - 核小体复合物结构，揭开染色质组织调控机制之谜

为探究屏障至自整合因子（BAF）与 Lamin A/C 结合染色质及影响染色质组织的机制，研究人员解析了 BAF-Lamin A/C - 核小体复合物的冷冻电镜结构。发现其独特结合模式，该成果为理解相关疾病机制和治疗策略开发提供依据。

　　在细胞的微观世界里，基因组 DNA 可不是 “孤独” 存在的，它与各种核蛋白紧紧结合，以染色质的形式 “蜷缩” 在细胞核中。染色质的基本重复单元是核小体，这些核小体通过连接 DNA 串在一起，像极了一串珠子。而染色质的高级结构及其动态变化，对 DNA 的复制、转录、重组和修复等关键过程至关重要，它还在细胞的正常发育和分化中扮演着不可或缺的角色。

在细胞周期的不同阶段，染色质有着不同的 “状态”。在分裂期（M 期），核膜会暂时解体，染色质高度浓缩形成染色体，整齐排列在细胞中央，随后姐妹染色单体分离进入子细胞。分裂结束后，核膜又会重新组装起来。而在分裂间期，染色质则分散在细胞核内，靠近核膜边缘的染色质会与核纤层相互作用，这种相互作用对维持染色质的构象和基因组的调控起着关键作用。

屏障至自整合因子（BAF）在这个过程中至关重要。它能与染色质结合，在核膜重新组装和染色质锚定到核纤层的过程中发挥关键作用。一旦 BAF 出现问题，细胞就会出现各种异常，像核膜畸形、多核化、微核形成等，甚至会导致胚胎死亡。在人类中，BAF 的突变还会引发 Nestor-Guillermo 早老综合征（NGPS） 。尽管 BAF 如此重要，但它与 Lamin A/C 结合染色质的具体机制却一直是个谜。

为了揭开这个谜团，来自日本东京大学定量生物科学研究所染色质结构与功能实验室等多个机构的研究人员开展了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们理解染色质的调控机制带来了新的曙光。

研究人员主要运用了冷冻电镜（cryo - EM）技术，通过解析 BAF-Lamin A/C - 核小体复合物的结构来探究其作用机制。同时，他们还利用了核小体下拉实验（nucleosome pull - down assay），验证 BAF 和 Lamin A/C 与核小体的结合能力。

研究结果

1. BAF-Lamin A/C 通过三方 DNA 结合模式结合核小体：研究人员重构了含有 BAF 和 Lamin A/C 免疫球蛋白折叠（IgF）结构域的核小体复合物。通过蔗糖梯度超速离心和冷冻电镜单颗粒分析，他们发现 BAF-Lamin A/C IgF 位于核小体的二分体区域。BAF 二聚体的每个单体结合一条连接 DNA，将核小体中的两条连接 DNA “系” 在一起，而 Lamin A/C 的 Lys⁴⁸⁶和 His⁵⁰⁶残基直接与核小体二分体处的 DNA 接触，形成了独特的三方 DNA 结合模式。
2. BAF 和 Lamin A/C 核小体结合的突变分析：核小体下拉实验表明，Lamin A/C IgF 结构域单独无法结合核小体，需要 BAF 二聚体的协助。在脂营养不良患者中发现的 Lamin A/C K⁴⁸⁶N 和 H⁵⁰⁶D 突变，会显著降低其与核小体的结合能力。同样，BAF 的 S⁴E 突变也会大幅减少其与核小体和 Lamin A/C IgF 的结合，这说明 BAF 与连接 DNA 的结合在其与染色质的关联中起着关键作用。
3. BAF-Lamin A/C 连接两个核小体：对低迁移率 BAF-Lamin A/C - 核小体复合物的冷冻电镜分析显示，它包含两个通过额外的 BAF-Lamin A/C IgF 分子对称连接的 BAF-Lamin A/C - 核小体复合物。额外的 BAF 二聚体对称地结合在一个核小体的超螺旋位置（SHL）±7.5 和另一个核小体的 SHL±3 位置的 DNA 上，从而连接两个核小体，这表明 BAF 具有通过连接核小体来压实染色质的能力。
4. BAF-Lamin A/C IgF 连接含有连接组蛋白 H1 的染色小体：连接组蛋白 H1 是一种丰富的核小体结合蛋白，它能与核小体二分体和连接 DNA 结合，形成染色小体。冷冻电镜分析 H1-BAF-Lamin A/C IgF - 核小体复合物发现，H1 会将 BAF-Lamin A/C IgF 复合物从核小体二分体和连接 DNA 区域 “排挤” 出去。不过，两个 BAF 二聚体仍能与 Lamin A/C IgF 结构域对称地结合在染色小体的 SHL±7.5 和 SHL±3 位置的 DNA 上，连接两个染色小体，这说明 BAF 能与 H1 共同压实染色质。

研究结论与讨论

该研究解析了三种不同的 BAF-Lamin A/C IgF - 核小体复合物结构，揭示了 BAF 和 Lamin A/C 与染色质结合的结构基础。研究发现的 Lamin A/C 新的 DNA 结合界面，以及相关突变对核小体结合能力的影响，有助于解释脂营养不良患者染色质组织紊乱的原因。同时，BAF 在有或没有连接组蛋白 H1 的染色质区域中，都能通过 “三方核小体结合” 或 “核小体连接” 模式结合染色质，将 Lamin A/C 锚定到核周，参与染色质的组织和核膜的组装。

此外，核纤层蛋白与早老综合征、肌肉萎缩症等核纤层病密切相关。该研究的复合物结构为理解这些疾病的发病机制提供了重要线索，有望推动相关治疗策略的开发，为攻克这些疑难病症带来新的希望 。