6月18日，Nature Structural & Molecular Biology（NSMB）在線發(fā)表了中國科學院上海免疫與感染研究所王嵐峰研究組、復旦大學陳振國課題組和美國紀念斯隆-凱特琳癌癥中心趙曉嵐課題組的合作研究論文：Cryo-EM structures of Smc5/6 in multiple states reveal its assembly and functional mechanisms。

真核生物的基因組裝配成高度有序而又動態(tài)多變的染色質(zhì)，進一步凝縮形成染色體作為遺傳信息的載體。一類被稱為染色體結構維持復合物（Structural Maintenance of Chromosome, SMC）的多亞基蛋白機器在該過程中發(fā)揮重要作用。真核生物的SMC主要包含cohesin、condensin和Smc5/6復合物三個成員。Smc5/6復合物最初被發(fā)現(xiàn)在基因組穩(wěn)定性的維持和DNA損傷修復中起作用。近年來的研究表明Smc5/6復合物在限制病毒episome 復制/轉錄過程中也具有重要功能，有望成為抗病毒治療的新靶點。

圖1：8亞基Smc5/6復合物的三維結構

Smc5/6復合物由Smc5、Smc6和六個非SMC元件（Nse1-6）8個亞基組成，完整Smc5/6復合物的結構信息的缺失阻礙了對其多元化生物學功能的理解。研究團隊利用桿狀病毒昆蟲表達體系制備了高度均一的蛋白復合物樣品，借助冷凍電鏡技術解析了釀酒酵母Smc5/6復合物的三種不同狀態(tài)【完整的8亞基（-8mer），缺少Nse1-3-4的5亞基（-5mer），和缺少Nse5-6的6亞基（-6mer）復合物】的三維結構。其中8亞基Smc5/6復合物分辨率高達3.2埃，為在原子水平闡明該復合物的組成模式及功能機制提供詳盡的結構基礎（圖1）。

研究發(fā)現(xiàn)，因為有獨特的Nse2亞基和Smc5的結構特性，該復合物形成了長度為～46 nm的“長桿”結構，與SMC 家族其他成員的“臂折疊”結構不同。此外，研究人員鑒定到Nse2亞基包含由～3-turn螺旋形成的“楔形”結構基序(Wedge)和Nse6亞基的N端的“鉤狀”結構基序(Hook）。該兩個結構基序通過橋接Sm5-Smc6 異源二聚體，在維持整個復合物的穩(wěn)定性及DNA修復中的功能發(fā)揮重要作用。

通過多種不同狀態(tài)的結構分析，研究人員發(fā)現(xiàn)Nse1-3-4和Nse5-6亞復合物的結構高度穩(wěn)定，提示復合物組裝過程中可能是通過模塊化的方式實現(xiàn)的。同時，從結構上闡明了Nse1-3-4和Nse5-6兩個亞復合物拮抗調(diào)控Smc5/6復合物ATPase活性的分子機制。依據(jù)ATPase酶活性的不同，推測：Smc5/6-8mer完整復合物代表了一種“半抑制”狀態(tài)；而缺失了Nse1-3-4的-5mer復合物則是一種無活性的中間態(tài)；一旦Nse5-6從-8mer復合物上解離， -6mer則顯示出更活躍的狀態(tài)（圖2）。這種調(diào)節(jié)機制在SMC家族的其他復合物中并不常見，提示Smc5/6復合物在DNA操縱過程中具有獨特的調(diào)控機制。本研究成果為深入理解Smc5/6復合物的功能機制提供了重要結構基礎，對于進一步探究其在相關疾病發(fā)生發(fā)展中的潛在作用具有重要意義。

圖2：Smc5/6 復合物三種不同狀態(tài)的結構及相關?ATP?酶活性變化的模式圖

中國科學院上海免疫與感染研究所博士研究生李茜和張俊，紀念斯隆-凱特琳癌癥中心博士后Cory Haluska，復旦大學博士研究生張翔為本文的共同第一作者。王嵐峰研究員、陳振國研究員和趙曉嵐教授為本文的通訊作者。中國科學院生物物理研究所王祥喜研究員和復旦大學孫蕾研究員也參與了該工作。該研究得到中國科學院戰(zhàn)略先導（B）計劃，國家重點研發(fā)計劃，上海市科技重大專項的資助。冷凍電鏡相關的研究得到復旦大學冷凍電鏡平臺的大力支持。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41594-024-01319-1