SWI/SNF家族染色质重塑蛋白复合物的结构和功能研究

ATP-dependent remodeling complexes use the energy of ATP hydrolysis to regulate nucleosome assembly, restructuring, redeposition, destabilization and ejection. They play important roles in multiple cellular events, including transcription regulation, DNA replication and DNA repair. Mutations or dys-regulation of chromatin remodeling complexes account for many human diseases and cancers. However, limited structural studies of the chromatin remodeling complexes have prevented us from any deep mechanistic understanding of the remodeling process. In this project, we will give efforts on structural analyses of yeast SWI/SNF and RSC complexes by X-ray crystallography and electron microscopy combined with a series of biochemical and biophysical analyses. We will investigate two fundamental questions: (1) how non-catalytic subunits affect ATPase activity and regulate remodeling reactions; (2) how TAF14 protein regulates recruitment of different chromatin complexes. By the end, we hope these studies will not only give us the insights into recruitment and activity regulation of chromatin remodeling complexes, but also provide clues on drug design and novel therapeutic approaches for some human diseases caused by dysfunction of chromatin remodeling complexes.

染色质重塑复合物是一大类通过ATP水解提供的能量使得核小体构象变化的复合物。它们在调节染色体构型和基因转录表达上起着重要作用，但其发挥功能的分子机制和活性调节机理还未有定论，关键瓶颈在于缺乏染色质重塑复合物的结构信息。本项目中我们将重点研究酵母中SWI/SNF家族中的SWI/SNF（SWItch/Sucrose NonFermentable）复合物和RSC（Remodel the Structure of Chromatin）复合物的三维结构，需要解决的问题将包括：（1）染色质重塑复合物的活性机制，重点是重塑复合物中的若干调节亚基对重塑活性的调节作用； (2)染色质重塑复合物的特异性招募机制，重点是阐释众多重塑复合物的共有组分TAF14是如何介导染色质重塑复合物的招募。通过解决这些问题，深入阐析染色质重塑复合物的组装、招募和活性机理，并为一系列遗传疾病或癌症的治疗提供潜在的新靶点。

SWI/SNF家族染色质重塑复合物通过移动或者移除核小体来调节染色质构型，并进而影响基因表达、DNA损伤修复、细胞周期调控和细胞分化等多种生物学过程。由SWI/SNF各亚基突变所引起的癌症占人类癌症发病率总数的20%以上。因此，对于SWI/SNF家族复合物的结构和功能研究不仅有助于我们深入理解染色质的表观遗传调控，也将助力疾病诊断和药物研发。.SWI/SNF家族复合物的创始成员是酵母中的SWI/SNF和RSC复合物。本项目综合运用结构生物学、生物化学、细胞生物学、遗传学等多种技术手段，对酵母SWI/SNF和RSC复合物开展了深入的结构和功能研究。项目资助期间，我们解析了部分SWI/SNF和RSC亚复合物和完整复合物的结构，发表了研究型论文2篇，以及一篇正在完善待投稿的论文。.主要研究成果包括（1）发表于2020年Structure的论文发现RSC复合物中催化亚基Sth1的Bromo结构域是H3K14乙酰化修饰的主要识别器，揭示了RSC复合物特异性识别H3K14乙酰化修饰的分子机制。（2）发表于2020年Nature Communications的论文揭示了SWI/SNF和RSC复合物中的一个共同亚基Taf14与复合物作用的结构基础，阐释了Taf14通过相变富集多种染色质重塑复合物和转录机器来实现高效转录的新机制。（3）正在完善中的工作解析了一种来源于嗜热真菌的SWI/SNF完整复合物的结构，揭示了SWI/SNF复合物的组装机理和进化途径。这些研究成果为我们进一步理解染色质重塑复合物的组装、招募和活性调控机理奠定了坚实的基础，也为发现一些新的潜在的药物作用靶点提供了思路。