來源：小柯生命

清華大學生命學院陳柱成團隊發現人源染色質重塑蛋白 SMARCAD1 對亞核小體的偏好性，并與郗喬然團隊合作驗證了 SMARCAD1 這一功能對小鼠胚胎干細胞干性維持的重要作用。

北京時間 2025 年 6 月 4 日 23 時，相關工作在線發表于《自然》（Nature），題目是「人源染色質重塑蛋白 SMARCAD1 的亞核小體偏好性」（Subnucleosome preference of human chromatin remodeller SMARCAD1）

清華大學生命科學學院陳柱成教授、郗喬然副教授為本文的通訊作者。清華大學生命科學學院、清華-北大生命科學聯合中心 2018 級博士生胡鵬晶、2023 級博士生孫菁溪、博士后孫宏瑤和博士后陳康凈為共同第一作者，2020 級博士生謝悠揚和夏顯（已畢業）參與了重要工作。

核小體是真核生物染色質的基本單元。經典的核小體由 147 bp DNA 纏繞組蛋白八聚體形成，其中組蛋白八聚體由兩拷貝 H2A-H2B 二聚體和一拷貝 (H3-H4)2 四聚體組成。染色質結構高度動態可塑，核小體在復制，轉錄，DNA 損傷修復等過程中經歷拆分和重新組裝，從而產生不同的中間態，如 DNA 解纏繞（DNA unwrapping）, 六聚核小體（hexasome）和四聚核小體（tetrasome）。這些中間態統稱為亞核小體（subnucleosome），其保護的 DNA 片段（90-120 bp）顯著短于完整核小體。雖然 MNase-seq 等基因組學技術檢測到這些較短的受保護 DNA 片段，但由于現有技術無法區分亞核小體與多轉錄因子結合，加之酶切偏好性的干擾，使得亞核小體是否作為穩定功能單元存在于細胞內、其具體結構形式及生物學功能等核心問題仍懸而未決，成為探索染色質動態調控機制中富有挑戰性的前沿領域之一。

SMARCAD1 是一種非經典的染色質重塑蛋白，對 DNA 損傷修復以及胚胎干細胞的異染色質維持起重要作用。研究人員通過多種染色質重塑活性檢測方法，意外發現 SMARCAD1 對亞核小體有顯著的活性，而對經典核小體的活性微弱（圖 1a）。為揭示這一獨特偏好性的機制，研究者通過冷凍電鏡單顆粒技術解析了 SMARCAD1 結合六聚核小體的復合物結構（圖 1b）。與經典的結合方式不同，SMARCAD1 馬達結構域轉向六聚核小體中因 DNA 解纏繞留下的開放區域。電鏡結構揭示了 SMARCAD1 內部的幾個關鍵構造特征。其中，馬達內部插入有一個獨特的組蛋白結合結構域（HBD, 圖 1c），HBD 與 H4 的相互作用對 SMARCAD1 的染色質重塑活性至關重要；SMARCAD1 的 C-端螺旋（CTH, 圖 1d）向外延申并順勢結合到 NPD 上，從而把兩個核心的馬達結構域連接起來，這對偶聯 ATP 水解和 DNA 滑移必不可少。在小鼠胚胎干細胞中，研究者通過敲低、回補 Smarcad1 基因證實 HBD, CTH 等關鍵元素對 Smarcad1 發揮干細胞多能性維持作用不可或缺（圖 1e）。

圖 1：SMARCAD1 的亞核小體偏好性及其結構基礎。（a）SMARCAD1 染色質重塑活性表征。酶切位點暴露實驗，使用經典核小體 (上行) 和亞核小體 (下行) 作為底物。 右圖是初始反應速度常數的定量分析。（b）SMARCAD1 結合 hexasome 的整體冷凍電鏡結構。虛線框中的 HBD(c) 區域和 CTH 區域（d）進一步放大展示。（e）mESC 在不同條件下的細胞形態，以及堿性磷酸酶染色。Con：未處理。KD：敲低內源 Smarcad1 表達量。EV：回補空載。WT：回補野生型 Smarcad1。D821K：回補 HBD 突變 (D821K) 的 Smarcad1。ΔCTH：回補 ΔCTH 突變的 Smarcad1。

為了回答 SMARCAD1 為何喪失對經典核小體重塑活性這一問題，研究者進一步解析了 SMARCAD1 結合核小體的復合物結構，發現 SMARCAD1 雖然可以結合經典核小體，但結合方式松散，是一種沒有活性的結合模式（圖 2）。研究者根據結構推斷，如果 SMARCAD1 以經典構象結合核小體，其 HBD 將與核小體的組蛋白表面產生空間沖突。這解釋了 SMARCAD1 喪失對經典核小體重塑活性的結構性內因。

圖 2：SMARCAD1 結合經典核小體的冷凍電鏡結構。（a）SMARCAD1 結合核小體的 apo 狀態冷凍電鏡結構。（b）核小體 DNA 在 Snf2（表面模型）與 SMARCAD1（卡通模型）結合時的構象對比。SMARCAD1 不能緊密結合核小體，兩者之間有明顯空隙。（c-d）假設以經典模式結合核小體，SMARCAD1 將與核小體的組蛋白發生空間排斥。（c）的虛線框中的區域被旋轉，放大展示在（d）。

值得一提的是，廣泛參與核小體拆分與重新組裝的組蛋白分子伴侶 FACT 復合物與 SMARCAD1 產生協同效應（圖 3a）。FACT 可能通過部分拆分核小體，極大促進 SMARCAD1 對核小體的染色質重塑活性。這一發現進一步加強了 SMARCAD1 在調控亞核小體動態的作用模式（圖 3c）。SMARCAD1 獨特的亞核小體重塑活性為研究細胞內的亞核小體打開了一個窗口，提示亞核小體可能是穩定的功能單元，而非傳統認知的短暫副產物。與 SMARCAD1 功能相符，DNA 損傷修復時，組蛋白發生多種修飾，這些修飾抑制完整核小體組裝，卻促進亞核小體穩定化。此外，細胞快速復制時，如早期胚胎細胞分裂，核小體高效拆分-重組，可能導致亞核小體大量累積。這些染色質發生迅速變化的生命活動為研究亞核小體以及亞核小體調控蛋白提供廣闊的舞臺。

圖 3：SMARCAD1-FACT 相互作用及功能協同。（a）SMARCAD1 與 FACT 協同重塑核小體。右圖是核小體滑移的動力學跟蹤分析。WT：野生型 SMARCAD1 全長蛋白；D821K：具有 D821K 突變的 SMARCAD1；ΔCTH：將 CTH 截短的 SMARCAD1 蛋白；FAB：FACT 與 H2A-H2B 二聚體混合物。（b）SMARCAD1 滑移 hexasome 的卡通模式圖。（c）SMARCAD1 在復制叉區域發揮功能的可能模式：幫助親代組蛋白轉移到子代；推動復制后抑制性組蛋白修飾擴散，以及滑離過于靠近的亞核小體與核小體，幫助重新組裝染色質。

本工作獲得國家自然科學基金、科技部重大科學研究計劃專項、北京市結構生物學高精尖創新中心、清華-北大生命科學聯合中心、國家蛋白質科學研究（北京）設施清華基地的大力支持。

相關論文信息：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09100-0

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