SWI/SNF相关转录前起始复合物的结构基础

《Cell》：Structural basis of a SWI/SNF-associated transcription pre-initiation complex

　　

交配型转换/蔗糖不发酵（SWI/SNF）染色质重塑复合物在启动子处移除和重新定位核小体以启动转录。尽管长期以来被认为独立发挥功能，研究人员发现SWI/SNF是转录机器的整合组分。SWI/SNF与RNA聚合酶II前起始复合物（PIC）、中介体（Mediator）及一个核小体结合，整个组装体二聚化形成一个巨大的7兆道尔顿（MDa）复合物。研究人员展示了PIC-中介体-SWI/SNF和PIC-中介体-SWI/SNF-核小体复合物的高分辨率冷冻电镜（cryo-EM）结构，以及交联和质谱分析结果。这些结构揭示了SWI/SNF如何通过稳定PIC组织和对所谓的+1核小体的协同重塑来增强转录起始。该结构模型提示两种DNA转位酶——SWI/SNF的Snf2和TFIIH的Ssl2——在转录起始中的协同作用。

**研究背景与科学问题**

核小体中启动子DNA缠绕于组蛋白八聚体，在体内外抑制转录起始。ATP依赖的染色质重塑复合物可解除这种抑制，使启动子DNA对转录机器可及。SWI/SNF（交配型转换/蔗糖不发酵）复合物是首个被鉴定的染色质重塑复合物，遗传学证据表明其参与转录起始；人类癌症中约20%存在SWI/SNF复合物亚基的改变，常驱动致癌程序。SWI/SNF是一种DNA转位酶，可沿组蛋白八聚体滑动DNA，并在游离DNA或邻近核小体存在时拆解核小体。在酵母应激反应基因激活时，SWI/SNF移除核小体，暴露启动子DNA形成核小体缺失区（NDR），并将核小体滑动至转录起始位点（TSS）上方即+1核小体位置。前期研究观察到裸DNA转录也部分依赖SWI/SNF，提示其可能直接与转录机器互作，但机制不明，这是开展本研究的主要动因。

**研究概述**

研究人员通过体外重组系统证明SWI/SNF是转录机器的整合组分：SWI/SNF与RNA聚合酶II前起始复合物（PIC）、中介体（Mediator）及核小体结合，整个组装体二聚化形成约7 MDa的巨大复合物。研究人员利用高分辨率冷冻电镜（cryo-EM）解析了PIC-Med-SWI/SNF及PIC-Med-SWI/SNF-核小体复合物的原子模型，结合交联质谱（CLMS）揭示SWI/SNF通过稳定PIC整体组织并协同重塑+1核小体增强转录起始。该研究发表于《Cell》。

**关键技术方法**

研究人员以酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）为模式体系，将纯化的酵母RNA聚合酶II、通用转录因子（GTFs；TBP、TFIIA、-IIB、-IIE、-IIF、-IIH）、TFIIS、Mediator、SWI/SNF与SNR20启动子DNA（或含601核小体定位序列的SNR20-601杂合DNA）经盐透析组装，通过10%–40%甘油梯度沉降分离复合物；采用GraFix交联固定结合单颗粒cryo-EM解析高分辨率结构；利用可切割交联剂DSSO进行CLMS鉴定亚基间接触；以动态光散射（DLS）验证溶液寡聚状态；并用酵母遗传学突变及体外转录实验验证功能。

**研究结果**

**SWI/SNF与PIC和Mediator形成复合物**。研究发现人工拴系全长Snf6可在Snf2 ATPase失活突变体（snf2 K798A）中激活报告基因转录，表明SWI/SNF可独立于染色质重塑功能招募转录机器。体外组装产物经甘油梯度沉降后含有全部64条SWI/SNF、Mediator和PIC多肽，并具有转录活性。

**SWI/SNF相关PIC-Med的整体结构**。cryo-EM显示PIC-Med-SWI/SNF形成约60×37×34 nm、约7.2 MDa的二聚体；DLS证实未交联样品也为单分散二聚体。缺失MedTail的cMed仅形成单体，表明SWI/SNF诱导的PIC-Med二聚化通过MedTail介导。

**无序区域介导SWI/SNF与PIC-Med的相互作用**。CLMS鉴定出3,410个独特交联残基对，大量交联连接SWI/SNF与TFIIF及TFIIH的Ssl2-Tfb2-Tfb5亚模块。Snf5和Swi1的N端无序区（IDRs）富含谷氨酰胺（Q-rich）和polyQ序列，删除这些IDR导致SWI/SNF在PIC-Med上定位异常，且人类ARID1A/B（酵母Swi1）N端IDR突变与疾病相关。

**SWI/SNF-PIC接触**。结构揭示SWI/SNF与TFIIH存在两处接触：Snf5 α2螺旋接触Tfb2-Tfb5二聚化结构域；Snf5的ET结合基序（EBM）与Taf14的ET结构域共同结合Tfb2疏水斑块。SWI/SNF的YEATS样结构域与TFIIS结构域II接触，PS模块与TFIIF接触。破坏这些接触的突变在磺酰甲脲甲基（SM）或半乳糖条件下生长缺陷。

**SWI/SNF与TFIID在PIC背景下互斥**。结构比对显示SWI/SNF与TFIID存在空间位阻冲突，解释了SWI/SNF在TFIID主导的组成型启动子处缺失的现象。

**二聚化界面**。MedTail-RNA Pol II接触包括Rpb9-Med14/Med16、Rpb1-Med16、Rpb2-Tfg1/Med15等静电相互作用。MedTail二聚体存在闭合和开放两种构象。SWI/SNF的PS模块和YEATS样结构域分别接触另一拷贝的Med2-Med3-Med15和Med5-Med16亚复合物。破坏多个接触位点导致胁迫条件下生长缺陷。

**MedTail稳定SWI/SNF与PIC-Med的结合**。PIC-cMed-SWI/SNF结构中SWI/SNF密度弱、迁移性高，表明SWI/SNF-MedTail相互作用对SWI/SNF稳定结合PIC-Med至关重要。

**PIC-Med-SWI/SNF与+1核小体结合的结构**。Snf2^ATPase结构域结合核小体DNA超螺旋位置（SHL）+2，诱导一个碱基对凸起。Snf5的碱性斑块（BP）接触核小体酸性斑块。结构显示SWI/SNF-核小体复合物精确定位以将DNA递送到聚合酶。

**启动子开放与+1核小体重塑机制**。Snf2将DNA向组蛋白八聚体dyad方向转位，释放DNA至核小体与聚合酶之间区域；Ssl2将DNA向上游转运至聚合酶活性中心。两种DNA转位酶的协同作用导致+1核小体下游滑动和启动子开放。

**SWI/SNF-核小体复合物结合PIC时的模块化重组**。与游离SWI/SNF-核小体结构（PDB: 7EGP）比较，Snf2^ATPase-核小体复合物相对核心SWI/SNF旋转约20°并轻微上移，使核小体出口DNA连接Ssl2。

**讨论与结论**

该研究转变了对转录机器及染色质重塑与转录过程关系的认识。SWI/SNF是PIC的整合组分，通过MedTail相互作用和PIC-Med二聚化实现整合；SWI/SNF降低TFIIH的构象迁移性，促进启动子DNA熔解；SWI/SNF与+1核小体组蛋白八聚体互作，可能在转录全程保留。SWI/SNF充当分子尺子设置+1核小体位置，PIC二聚化可能促进共调控基因（如热激、氨基酸饥饿应答基因）的启动子-启动子相互作用及双向启动子的协同调控。酵母与后生动物中TATA盒至+1核小体距离一致（约80 bp），提示+1核小体的作用在物种间保守。研究局限性在于体外组装的复合物存在形式仍需原位冷冻电子断层扫描等方法在体内验证。