HMGB1通过动态扭曲核小体DNA拮抗连接组蛋白H1的染色质压缩效应

本研究揭示了HMGB1（高迁移率族蛋白B1）与连接组蛋白H1在染色质动态调控中的分子竞争机制。通过冷冻电镜和限制性酶可及性实验，研究人员发现HMGB1通过多位点结合诱导核小体DNA变形，在不置换H1的情况下增强染色质可及性，为理解干细胞分化与肿瘤发生中染色质状态转换提供了新视角。

　　

在真核生物中，染色质的动态调控是基因表达调控的核心环节。核小体作为染色质的基本单元，其DNA的可及性直接影响转录、复制等关键生物学过程。长期以来，高迁移率族蛋白HMGB1和连接组蛋白H1被视为染色质结构的"阴阳调节器"——HMGB1促进染色质解聚和基因激活，而H1则导致染色质压缩和转录抑制。然而令人困惑的是，HMGB1在细胞核内的浓度比H1低10倍，与核小体结合亲和力弱1000倍，却能在体内有效拮抗H1的功能。这个看似矛盾的生物学现象，其分子机制一直未得到阐明。

美国加州大学旧金山分校的研究团队在《SCIENCE ADVANCES》发表的研究破解了这一谜题。通过整合冷冻电镜结构解析、单分子成像和生物化学分析等技术，研究人员首次揭示了HMGB1在不置换H1的情况下，通过多模式结合诱导核小体DNA动态变形的新机制。该研究不仅修正了领域内长期存在的"竞争性置换"传统认知，还为理解染色质动态调控提供了全新框架。

关键技术方法包括：1）限制性酶可及性实验（REA）定量分析核小体DNA解旋动力学；2）冷冻电镜解析HMGB1-核小体复合物结构；3）单分子腺嘌呤甲基化测序（SAMOSA-ChAAT）检测染色质阵列可及性；4）荧光漂白恢复（FRAP）分析染色质凝聚体动态。

【HMGB1选择性稳定核小体DNA暴露构象】

通过REA实验发现，HMGB1将核小体分为快/慢切割两群，前者DNA可及性与游离DNA相当。定量分析表明HMGB1对快切割构象具有4倍结合偏好，通过稳定该状态增加DNA可及性，而非直接加速解旋速率。

【冷冻电镜揭示多位点结合模式】

首次解析的HMGB1-核小体复合物结构显示，HMGB1的A盒结合于超螺旋位置-2（SHL-2），诱导DNA小沟增宽6?。cryoDRGN分析发现HMGB1还能结合SHL-6，形成动态多位点结合模式，完全不同于H1的dyad结合位点。

【DNA长度依赖的协同竞争机制】

在10bp侧翼DNA核小体上，HMGB1无法拮抗H1抑制；而在40bp侧翼DNA体系中，HMGB1可部分恢复DNA可及性而不置换H1。FRET实验证实两者可共占核小体，推翻传统"互斥结合"假说。

【染色质层面的动态调控】

SAMOSA-ChAAT显示HMGB1使染色质阵列保护区域缩小13bp，且在H1存在时仍能恢复侧翼DNA可及性。FRAP实验表明HMGB1使H1在凝聚体中的恢复速率提高2倍，移动分数从45%增至60%。

这项研究建立了"构象选择-动态平衡"的新模型：HMGB1通过C端与H3尾互作锚定，使HMG盒在核小体DNA上快速采样，诱导局部变形产生多种高能态。这种机制在不改变H1占据的情况下，通过增加系统微观状态数来提升宏观动态性。该发现对理解多种生物学过程具有重要意义：在干细胞中，高表达的HMGB1可通过增加H1周转维持多能性；在肿瘤发生中，HMGB1过表达可能导致染色质异常开放；在有丝分裂时，H1磷酸化可能通过阻断HMGB1结合维持染色体压缩。这种基于结合平衡的调控机制，为开发靶向染色质结构的表观遗传药物提供了新思路。