一键“锁死”的核小体：单一位点DNA–组蛋白共价交联引发核小体结构与功能的全面失调

核小体是真核生物染色质的基本结构单元，由DNA缠绕在组蛋白八聚体上形成。DNA在核小体上的动态缠绕与滑动是染色质实现转录、复制、修复等功能的结构基础。然而，在DNA损伤或代谢过程中，DNA常会与蛋白质形成共价结合，生成DNA–蛋白质交联。当这一过程发生在核小体内部时，便形成DNA–组蛋白交联（DNA–histone cross-link, DHC）。这种“化学锁链”如何影响核小体的结构与功能，成为染色质生物学中一个值得探索的关键问题。

近日，南开大学周传政课题组与清华大学李海涛课题组合作，在体外首次系统揭示了DHC对核小体结构稳定性和功能调控的深远影响。相关研究成果以《DNA–histone cross-link locks the nucleosome structure and disrupts its recognition and processing》为题发表于Protein & Cell。

自然发生的DHC通常产率低且不稳定，难以用于机制研究。为此，作者利用点击化学反应，在核小体的中心对称轴（dyad）处精确构建出单一位点的DNA–组蛋白交联。冷冻电镜（cryo-EM）结构显示，该交联并未改变核小体的整体结构与局部构象，说明这一“化学锁链”不会破坏DNA与组蛋白之间的正常相互作用。

然而，这一看似“温和”的修饰却显著提升了核小体的热稳定性。在高盐环境（1 M NaCl）下，未交联核小体几乎完全解离，而交联核小体仍保持91%以上的完整性。更为关键的是，DHC几乎彻底阻断了核小体的滑动。无论是由热驱动的被动滑动，还是依赖ATP的重塑复合物SNF2h介导的主动滑动，在交联核小体中都完全消失。这意味着仅仅一个DNA–组蛋白交联点就足以将整个核小体结构“锁死”，使其失去动态可塑性。

    核小体本身是RNA聚合酶转录延伸的物理障碍，但RNA聚合酶仍可通过驱动DNA的位移来完成转录延伸。然而，当核小体中存在DHC时，这一过程被彻底中断。研究者利用SP6 RNA聚合酶作为模型系统，发现无论交联位点位于正义链还是反义链，RNA聚合酶均在距离交联位点约15个碱基处发生提前终止。进一步的限制性内切酶保护实验证实，交联核小体在转录过程中无法发生位移，说明DHC通过阻止核小体位移而非空间阻碍导致转录停滞。这一结果揭示了DHC可严重干扰基因转录等核内关键过程，提示其可能是一种具有高度细胞毒性的DNA损伤类型。

在常规的DNA–蛋白质交联修复中，细胞通常依赖特异性蛋白酶（如SPRTN或蛋白酶体）先将交联蛋白降解，再由核苷酸切除修复系统完成DNA修复。然而，实验表明交联核小体对蛋白酶K及胰蛋白酶均表现出显著的抗性。这意味着核小体内的DHC极可能逃避常规的DNA–蛋白质交联修复通路，在细胞内长期存在，从而加剧基因组不稳定性。

该研究首次在体外建立了可控的DNA–组蛋白交联核小体模型，系统揭示了其对核小体稳定性、动态滑动、转录过程及蛋白酶敏感性的多重影响。结果表明，单一位点的化学交联即可令整个核小体陷入“冻结”状态，阻断多种染色质相关进程。这一工作不仅为理解DNA–蛋白质交联在基因组损伤中的生物效应提供了分子机制，也为研究染色质动力学与修复通路提供了新的工具和思路。未来，若能在细胞或生物体水平上进一步揭示DHC的形成与修复机制，或将为抗癌药物设计及DNA损伤治疗开辟新的研究方向。