NSMB | 王岚峰研究组合作揭示染色体结构维持复合物-Smc5/6的组装及调控机制

6月18日，Nature Structural & Molecular Biology（NSMB）在线发表了中国科学院上海免疫与感染研究所王岚峰研究组、复旦大学陈振国课题组和美国纪念斯隆-凯特琳癌症中心赵晓岚课题组的合作研究论文：Cryo-EM structures of Smc5/6 in multiple states reveal its assembly and functional mechanisms。

真核生物的基因组装配成高度有序而又动态多变的染色质，进一步凝缩形成染色体作为遗传信息的载体。一类被称为染色体结构维持复合物（Structural Maintenance of Chromosome, SMC）的多亚基蛋白机器在该过程中发挥重要作用。真核生物的SMC主要包含cohesin、condensin和Smc5/6复合物三个成员。Smc5/6复合物最初被发现在基因组稳定性的维持和DNA损伤修复中起作用。近年来的研究表明Smc5/6复合物在限制病毒episome 复制/转录过程中也具有重要功能，有望成为抗病毒治疗的新靶点。

图1：8亚基Smc5/6复合物的三维结构

Smc5/6复合物由Smc5、Smc6和六个非SMC元件（Nse1-6）8个亚基组成，完整Smc5/6复合物的结构信息的缺失阻碍了对其多元化生物学功能的理解。研究团队利用杆状病毒昆虫表达体系制备了高度均一的蛋白复合物样品，借助冷冻电镜技术解析了酿酒酵母Smc5/6复合物的三种不同状态【完整的8亚基（-8mer），缺少Nse1-3-4的5亚基（-5mer），和缺少Nse5-6的6亚基（-6mer）复合物】的三维结构。其中8亚基Smc5/6复合物分辨率高达3.2埃，为在原子水平阐明该复合物的组成模式及功能机制提供详尽的结构基础（图1）。

研究发现，因为有独特的Nse2亚基和Smc5的结构特性，该复合物形成了长度为～46 nm的“长杆”结构，与SMC 家族其他成员的“臂折叠”结构不同。此外，研究人员鉴定到Nse2亚基包含由～3-turn螺旋形成的“楔形”结构基序(Wedge)和Nse6亚基的N端的“钩状”结构基序(Hook）。该两个结构基序通过桥接Sm5-Smc6 异源二聚体，在维持整个复合物的稳定性及DNA修复中的功能发挥重要作用。

通过多种不同状态的结构分析，研究人员发现Nse1-3-4和Nse5-6亚复合物的结构高度稳定，提示复合物组装过程中可能是通过模块化的方式实现的。同时，从结构上阐明了Nse1-3-4和Nse5-6两个亚复合物拮抗调控Smc5/6复合物ATPase活性的分子机制。依据ATPase酶活性的不同，推测：Smc5/6-8mer完整复合物代表了一种“半抑制”状态；而缺失了Nse1-3-4的-5mer复合物则是一种无活性的中间态；一旦Nse5-6从-8mer复合物上解离， -6mer则显示出更活跃的状态（图2）。这种调节机制在SMC家族的其他复合物中并不常见，提示Smc5/6复合物在DNA操纵过程中具有独特的调控机制。本研究成果为深入理解Smc5/6复合物的功能机制提供了重要结构基础，对于进一步探究其在相关疾病发生发展中的潜在作用具有重要意义。

图2：Smc5/6 复合物三种不同状态的结构及相关 ATP 酶活性变化的模式图

中国科学院上海免疫与感染研究所博士研究生李茜和张俊，纪念斯隆-凯特琳癌症中心博士后Cory Haluska，复旦大学博士研究生张翔为本文的共同第一作者。王岚峰研究员、陈振国研究员和赵晓岚教授为本文的通讯作者。中国科学院生物物理研究所王祥喜研究员和复旦大学孙蕾研究员也参与了该工作。该研究得到中国科学院战略先导（B）计划，国家重点研发计划，上海市科技重大专项的资助。冷冻电镜相关的研究得到复旦大学冷冻电镜平台的大力支持。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41594-024-01319-1