于洪涛白晓辰组合作报道人类粘连蛋白三维结构

于洪涛⽩晓⾠组合作报道⼈类粘连蛋⽩三维结构

染⾊体结构维持（SMC）复合物普遍存在于原核和真核细胞中，并在基因组折叠中发挥重要

功能【1-5】。在真核⽣物中，SMC复合物包括粘连蛋⽩（Cohesin），凝缩蛋⽩

（Condensin）以及SMC5/6复合物。粘连蛋⽩介导细胞分裂中姐妹染⾊单体的粘连。近年的

研究表明，在脊椎动物中，粘连蛋⽩是细胞分裂间期染⾊质环（Loop）和拓扑关联结构域（Topologically associating domain，TAD）形成不可或缺的，并且对染⾊质区室（Compartment）结构起着调控作⽤，⽽凝缩蛋⽩促进有丝分裂期染⾊质凝聚成X型染⾊体。

粘连蛋⽩和凝缩蛋⽩⼀起保证了有丝分裂期姐妹染⾊单体的正常分离。粘连蛋⽩还在基因转

录，重组和修复中扮演重要⾓⾊。SMC5/6复合物也调控DNA损伤和修复。

⼈类粘连蛋⽩由SMC1，SMC3，RAD21以及STAG1（或STAG2）四个亚基组成（图1）。

SMC1和SMC3是ATP酶家族蛋⽩，由两末端的ATP酶Head结构域（HD），处于中间位置的Hinge结构域以及连接两者的长Coiled coil组成。前期的研究表明，⼀⽅⾯，SMC1/3 Hinge

结构域形成异源⼆聚体；另⼀⽅⾯，RAD21连接SMC1/3 HD，因此形成⼀个闭合的环型结

构。HEAT重复基序蛋⽩STAG1可以招募包括CTCF在内的多种功能蛋⽩【6】。在另⼀个

HEAT重复基序蛋⽩NIPBL的激活下，粘连蛋⽩加载到染⾊质上发挥功能。粘连蛋⽩以及

NIPBL的突变会引起发育相关疾病包括德朗热综合征，并与癌症发⽣发展密切相关。⼤量实

验证据表明粘连蛋⽩通过环挤压（Loop extrusion）的⽅式与CTCF⼀起介导有丝分裂间期染

⾊质结构域的形成并调控特异性基因转录【7-12】。

2019年底，美国得克萨斯⼤学西南医学中⼼于洪涛教授（现任西湖⼤学⽣命科学学院院长，

细胞⽣物学讲席教授）课题组在Science上发表论⽂，利⽤单分⼦成像技术证实了⼈源粘连蛋

⽩-NIPBL通过ATP驱动的环挤压⽅式来压缩DNA【13,14】。然⽽，粘连蛋⽩发挥其作⽤的

分⼦机制仍不清楚。⼀直以来，⼈们对包括粘连蛋⽩在内的SMC复合物的三维结构⼗分期

待。SMC复合物构象的⾼度动态阻碍了对其三维结构的探究。

2020年5⽉14⽇，于洪涛教授课题组与西南医学中⼼⽩晓⾠教授课题组合作，在Science上在

线发表研究长⽂：Cryo-EM Structure of Human Cohesin-NIPBL-DNA Complex（史⽵兵博⼠

为第⼀作者，⾼海⼭博⼠为共同作者）。他们利⽤冷冻电镜技术解析了DNA结合状态的⼈源

粘连蛋⽩与NIPBL复合物三维结构，从⽽阐明了粘连蛋⽩各亚基，NIPBL和DNA之间相互作

⽤关系，粘连蛋⽩激活以及DNA装载机制。这是⾸个经同⾏评议并正式发表的SMC复合物⾼

分辨率三维结构。

为了克服粘连蛋⽩构象⾼度柔性的问题，研究⼈员对复合物样品进⾏了系统性地尝试和优

化，最终获得稳定构象的粘连蛋⽩，NIPBL与72个碱基对双链DNA复合物的电镜结构。粘连

蛋⽩，NIPBL与DNA核⼼复合物结构分辨率为3.9埃，整体复合物结构分辨率为5.3埃。整体结

构可以分为三层（图1）。第⼀层由SMC1/3 HD和Coiled coil结构域以及RAD21 NHD和

WHD结构域组成。第⼆层由NIPBL以及结合的RAD21区域组成。第三层由STAG1，与其结

合的RAD21区域以及SMC1/3 Hinge结构域组成。三个层次通过⼴泛的相互作⽤紧密地结合在

⼀起。由于构象柔性，部分SMC1/3 Coiled coil区域以及RAD21中间区域在结构中不可见。

RAD21像绳索⼀样依次与SMC3，NIPBL，STAG1以及SMC1结合，将三个层次串联在⼀

起。DNA贯穿于整个复合物的中央，与粘连蛋⽩所有亚基以及NIPBL直接相互作⽤，进⼀步

稳定该复合物。之前研究表明，粘连蛋⽩能够以拓扑或⾮拓扑形式结合DNA，并认为拓扑结

合状态的DNA位于SMC区室或Kleisin/RAD21区室。该结构捕获了DNA装载时的粘连蛋⽩构

象。与假设不同的是，在该电镜结构中，DNA同时位于SMC区室以及新发现的由SMC3和

NIPBL组成的区室中。在SMC3-NIPBL区室中，DNA发⽣约45°的弯曲。

于洪涛/⽩晓⾠组合作报道⼈类粘连蛋⽩三维结构

图2 粘连蛋⽩不同构象及其DNA装载模式图