西湖大学生命科学学院于洪涛博士访问我室并做学术报告

5月14日下午，西湖大学生命科学学院院长、细胞生物学讲席教授于洪涛博士访问蛋白质与植物基因研究国家重点实验室，并在北京大学金光生命科学大楼邓祐才报告厅为大家带来了题为Folding the genome by cohesion的学术讲座。本次学术报告是蛋白质与植物基因研究国家重点实验室肖俊宇研究员主持。

真核生物基因组极具复杂性，如果将人类染色体铺展后线性缝合，染色体长度可超过两米。如何将宏观尺寸的染色体折叠包装进入10 μm的细胞核中是生命科学的基本问题。此外，染色体动态折叠过程在调节基因表达、DNA复制和修复过程中发挥着重要的作用。SMC复合物是一类高度保守的ATP酶多亚基蛋白质复合物，在调节染色体的三维结构变化中发挥着关键作用。

真核生物的SMC复合物由粘连蛋白（Cohesin），凝缩蛋白（Condensin）以及SMC5/6复合物组成。其中粘连蛋白与CTCF通过环挤压（Loop extrusion）方式介导染色质环结构域（Loop domain）和拓扑相关结构域（Topologically associating domain，TAD）的形成。在细胞分裂过程中，粘连蛋白粘连姐妹染色单体，该蛋白对染色体的精准分离至关重要。

粘连蛋白是一种多亚基腺苷三磷酸酶复合物，由SMC1、SMC3、RAD21及STAG1/2四个亚基组成。粘连蛋白通过NIPBL-MAU2复合物加载至染色体上，进而发挥功能。粘连蛋白和NIPBL的突变会引起发育相关疾病，并伴有多系统功能障碍，这些疾病统称为粘连蛋白病。同时，粘连蛋白STAG2的突变与癌症的发生发展也密切相关。

于洪涛课题组表达并纯化出了人源粘连蛋白以及粘连蛋白-NIPBL复合物。粘连蛋白-NIPBL复合物在负染图像下存在多种构象，可能代表复合物的不同状态。随后其课题组对粘连蛋白-NIPBL复合物的功能进行研究。粘连蛋白-NIPBL复合物在ATP参与下以0.5 kb/s的平均速率压缩DNA。然而，单独的粘连蛋白不具有压缩DNA的能力。在此基础上，课题组发现粘连蛋白-NIPBL复合物以对称的方式从“U”型DNA两侧同时压缩DNA。荧光标记粘连蛋白并利用光漂白实验发现，粘连蛋白-NIPBL复合物与DNA环基部共定位。在多数情况下，粘连蛋白-NIPBL复合物以二聚体的形式发挥功能。

为了进一步证实了人源粘连蛋白-NIPBL是通过ATP驱动的环挤压的方式压缩DNA，于洪涛课题组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复合物三维整体结构。整体结构可以分为三层。第一层由SMC1/3 Head domain、Coiled coil domain以及RAD21的N-terminal helical domain和C-terminal winged helix domain组成；第二层由部分NIPBL和部分RAD21组成；第三层由STAG1、与其结合的RAD21区域以及SMC1/3 Hinge domain组成。三个层次通过广泛的相互作用紧密地结合在一起。该模型揭示了NIPBL和DNA协同地提高粘连蛋白ATP酶活性的分子机制，推测SMC3乙酰化能够阻止粘连蛋白结合NIPBL和DNA，从而调控粘连蛋白的激活，进而影响其不同的生理功能。

于洪涛课题组根据上述结果提出粘连蛋白的移动模型。当粘连蛋白结合ATP时，SMC1/3 Coiled coil domain处于弯曲状态，SMC1/3 Head domain形成异源二聚体。在NIPBL和STAG1识别DNA后，DNA被保持在SMC区室和SMC-NIPBL区室内。ATP水解后，SMC1/3 Coiled coil domain发生构象变化，转变为棒状，SMC1/3 Head domain发生解聚，将DNA释放出来。这一构象变化使得SMC1/3在空间上可以向前移动，ATP结合和水解循环过程促使STAG1/NIPBL与DNA的再次结合和解离，最终实现粘连蛋白在DNA上的移动。该模型尝试解释了粘连蛋白与DNA的装载机制，为后续粘连蛋白功能的研究提供了分子基础，也为研究粘连蛋白功能紊乱相关疾病提供了理论依据。

在最后提问环节，场下听众们积极提问，与于老师进行了热烈的交流和探讨，讲座取得了圆满成功。