2024年8月7日，生研院汪方煒實驗室在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）發(fā)表了題為Molecular mechanism and functional significance of Wapl interaction with the Cohesin complex的研究論文，揭示了黏連蛋白功能的重要調(diào)控機制。
黏連蛋白（Cohesin）是一個在進化上高度保守的環(huán)狀結(jié)構(gòu)復(fù)合體，參與調(diào)控一系列基于DNA和染色質(zhì)的重要生物學(xué)過程（圖1）。黏連蛋白可以拓撲聯(lián)結(jié)兩個DNA分子，通過介導(dǎo)姐妹染色單體粘連（sister chromatid cohesion）調(diào)控染色體分離、DNA復(fù)制和同源重組DNA修復(fù)，進而維護基因組的穩(wěn)定性。黏連蛋白還可以拓撲結(jié)合單個DNA分子，通過形成染色質(zhì)環(huán)（chromatin loop）調(diào)控基因組三維構(gòu)象和基因轉(zhuǎn)錄。黏連蛋白的突變常見于癌細胞中，與癌癥等疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。
圖1：黏連蛋白參與調(diào)控的重要生物學(xué)過程。
黏連蛋白復(fù)合體由Smc1、Smc3、Scc1和SA2（或旁系同源蛋白SA1）四個核心亞基組成，其中Smc1、Smc3和Scc1三者首尾相連形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，而SA2則結(jié)合在Scc1的中間區(qū)域（圖2）。DNA進出黏連蛋白環(huán)的通道分別位于Smc3與Smc1的鉸鏈區(qū)（Hinge）互作界面和Smc3頭部結(jié)構(gòu)域（Head）與Scc1氨基端的互作界面。黏連蛋白環(huán)DNA出口（即Smc3-Scc1互作界面）的開放依賴于黏連蛋白釋放因子Wapl。一個長期懸而未決的科學(xué)問題是，Wapl如何打開黏連蛋白環(huán)的DNA出口進而調(diào)控黏連蛋白的功能，而解決這一問題的關(guān)鍵在于探明Wapl如何結(jié)合黏連蛋白復(fù)合體的核心亞基。
圖2：介導(dǎo)姐妹染色單體粘連的黏連蛋白復(fù)合體及部分調(diào)節(jié)因子。Wapl可與Sororin、Haspin
競爭性結(jié)合黏連蛋白的調(diào)節(jié)亞基Pds5，進而影響?zhàn)みB蛋白與DNA的結(jié)合狀態(tài)。Wapl結(jié)合黏連蛋白核心亞基的機制不明。
本項研究利用一系列體內(nèi)外蛋白互作實驗，以及基于AlphaFold2的人工智能蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)Wapl分別通過FGF基序和YNARHWN基序結(jié)合黏連蛋白核心亞基Scc1與SA2互作界面的不同區(qū)域（圖3）。破壞FGF基序或YNARHWN基序與Scc1-SA2界面的結(jié)合，僅部分減弱Wapl與Scc1-SA2界面的結(jié)合，并部分削弱Wapl從染色體上移除黏連蛋白的能力。當(dāng)FGF基序和YNARHWN基序被同時突變后，Wapl幾乎不能結(jié)合黏連蛋白核心亞基，導(dǎo)致黏連蛋白異常緊密地結(jié)合DNA，進而阻礙有絲分裂期姐妹染色單體粘連的及時解除，造成染色體分離錯誤。此外，FGF基序和YNARHWN基序的疊加突變還會導(dǎo)致細胞分裂間期染色質(zhì)異常凝縮，提示了基因組三維構(gòu)象的改變。以上結(jié)果說明，Wapl通過兩個獨立的結(jié)構(gòu)模塊同時結(jié)合黏連蛋白核心亞基Scc1與SA2的互作界面，賦予Wapl從染色質(zhì)上移除黏連蛋白的最大活性，從而確保了有絲分裂期染色體精確分離，以及分裂間期細胞中基因組的正常三維結(jié)構(gòu)。
圖3：Wapl通過FGF基序和YNARHWN基序結(jié)合黏連蛋白核心亞基Scc1-SA2的互作界面，
促進黏連蛋白環(huán)DNA出口的打開，進而從染色體臂部移除黏連蛋白。
有絲分裂期染色體著絲粒區(qū)的黏連蛋白不能被Wapl移除。那么，Wapl的活性在著絲粒區(qū)又是如何被拮抗的呢？先前的研究表明，Sgo1在保護著絲粒區(qū)黏連蛋白中發(fā)揮重要作用。本研究發(fā)現(xiàn)，類似于Wapl的FGF基序與Scc1-SA2的相互作用，Sgo1利用其YNF基序結(jié)合Scc1-SA2界面。當(dāng)YNF基序被突變?yōu)椴荒芙Y(jié)合Scc1-SA2界面的ANA后，Sgo1保護黏連蛋白的活性大幅下降。有意思的是，Sgo1的YNF基序只能與Wapl的FGF基序競爭結(jié)合Scc1-SA2界面，而不能與Wapl的YNARHWN基序競爭。以上結(jié)果提示，著絲粒區(qū)可能存在一個含有YNARHWN基序的蛋白，該蛋白與Sgo1以及內(nèi)層動粒蛋白CENP-U（包含一個可以結(jié)合Scc1-SA2界面的FDF基序）協(xié)同作用，充分抑制了Wapl與著絲粒區(qū)黏連蛋白核心亞基的結(jié)合。
綜上所述，這項研究揭示了Wapl結(jié)合黏連蛋白復(fù)合體核心亞基的分子基礎(chǔ)和功能，為受黏連蛋白調(diào)控的染色體行為和生物學(xué)功能研究提供了新的見解，并為黏連蛋白突變促進癌變的轉(zhuǎn)化研究奠定了重要基礎(chǔ)。
袁雪穎博士、顏璐（2020級直博生）、陳親富研究員為論文的共同第一作者，汪方煒教授、顏海燕副教授和張龍教授為共同通訊作者。朱叔楷（2023級直博生）、周欣雨、曾玲暉教授、劉明潔博士、賀曉靜教授、黃俊教授和呂衛(wèi)國教授也有重要貢獻。研究課題受國家杰出青年科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、浙江省自然科學(xué)基金重點項目等資助。
汪方煒實驗室長期致力于染色體穩(wěn)定性調(diào)控機制的研究，重點關(guān)注癌細胞染色體不穩(wěn)定性的原因及其促進腫瘤發(fā)生的分子機制，探索靶向抑制癌細胞增殖和分裂的新策略。長期招聘優(yōu)秀博士后，有意者請將簡歷投遞至fwwang@zju.edu.cn。
