黏连蛋白通过DNA负超螺旋化驱动染色质环挤压的分子机制研究

这篇研究揭示了黏连蛋白（cohesin）在DNA环挤压（loop extrusion）过程中通过ATP依赖的钳夹机制诱导DNA负超螺旋化（negative supercoiling），其突变体SMC14E 因DNA结合缺陷导致正超螺旋化（positive supercoiling）并缩短染色质环。研究结合磁镊实验、Hi-C和高速原子力显微镜（HS-AFM），证实拓扑异构酶I（Topo I）通过松弛超螺旋促进长环形成，为基因组三维结构调控提供了新机制。

　　

黏连蛋白在环挤压过程中超螺旋化DNA的机制

研究背景
黏连蛋白（cohesin）作为结构维持染色体（SMC）复合体的核心成员，通过环挤压（loop extrusion）机制折叠基因组DNA形成拓扑关联域（TADs）和染色质环，调控基因转录、重组和复制。然而，DNA在环挤压过程中的构象变化机制尚不明确。

核心发现

1. 黏连蛋白-NIPBL复合体诱导DNA负超螺旋化
   通过氯喹琼脂糖凝胶电泳和HS-AFM，研究发现野生型黏连蛋白与NIPBL-MAU2协同作用，在ATP存在时使质粒DNA产生负超螺旋（ΔL_k
   变化）。突变分析显示，ATP酶头 engagement（S1129R/S1116R）和DNA钳夹（SMC1^4E
   ）缺陷会抑制该活性，而稳定钳夹状态的EQ/EQ突变体（E1157Q/E1144Q）仍保留超螺旋化能力。

2. DNA结合位点决定超螺旋方向
   磁镊实验揭示，SMC1^4E
   突变体（K52E/R57E/K59E/R62E）在单个环挤压步骤中引入-0.63圈负扭转，但质粒检测中却表现为正超螺旋。蒙特卡洛模拟表明，这是由于DNA钳夹亲和力降低导致拓扑异构酶I优先松弛非环化区段的 compensatory正超螺旋。

3. 超螺旋化与染色质环长度直接相关
   Hi-C分析显示，SMC1^4E
   突变体细胞中长程染色质互作减少，短环增多，且CTCF边界绝缘性增强。WAPL降解实验进一步证实，该表型源于环挤压缺陷而非黏连蛋白解离速率改变。

4. 拓扑异构酶I促进长环形成
   通过auxin诱导降解系统，研究发现Topo I缺失会特异性抑制WAPL缺失诱导的vermicelli结构（长环基部的轴向凝聚），而Topo II缺失影响较小，表明负超螺旋的松弛是长环延伸的必要条件。

机制模型
黏连蛋白通过hinge结构域和ATP酶头间的DNA约束产生扭矩，每步环挤压引入-0.6圈负超螺旋。该过程依赖NIPBL介导的DNA钳夹，而SMC1^4E
因钳夹力减弱导致扭矩抵抗不足，引发拓扑异构酶驱动的超螺旋方向反转。基因组尺度上，超螺旋的累积可能通过调控CTCF屏障效率影响TAD边界强度。

研究意义
该工作首次将DNA超螺旋化确立为SMC复合体介导环挤压的普适机制，为理解染色质高级结构动态调控提供了新视角，并为相关发育疾病和癌症中cohesin突变体的功能解析奠定基础。