Cell纪念结晶技术100周年：染色质与转录的故事

2014年是国际晶体学年，11月20日Cell杂志为此特别推出了“结构生物学”专题，以三位学者的综述为主，介绍了这一百年来X射线晶体学技术的发展，以及结构生物学的历史和现状。

　　大约100年前，在英格兰北部，一对父子进行了一项实验，和科学史上的很多实验一样，尽管这对父子的初衷并非如此，但这项实验却彻底改变了科学家们研究分子的方式。随后，不断有科学家们对这一方法进行修改，精炼，使其日臻完善。但不管面貌如何改变，其始终是科学研究中最重要的工具之一，她就是X射线晶体技术。

2014年是国际晶体学年，本期（11月20日）Cell杂志为此特别推出了“结构生物学”专题，以三位学者的综述为主，介绍了这一百年来X射线晶体学技术的发展，以及结构生物学的历史和现状。

马普研究院著名结构生物学家，RNA聚合酶研究泰斗级专家Patrick Cramer以“A Tale of Chromatin and Transcription in 100 Structures”为题，讲述了100个晶体结构如何影响染色质和转录领域的研究的故事。

转录因子TFIID复合物核心结构

The architecture of human general transcription factor TFIID core complex.

人细胞中RNA聚合酶Ⅱ的基因转录的起始是由许多蛋白质调控的。TFIID是第一个结合到基因启动子的通用转录因子。TFIID作为转录激活辅助因子与转录激活因子相互作用，并识别表观遗传标记，引发起始复合物前提的形成。TFIID是个分力量为百万道尔顿的多聚蛋白复合物，由TATA-box结合蛋白即TBP以及13个TBP结合因子即TAFs组成。

尽管TFIID具有至关重要的作用，然而TFIID的详细结构和组装机制尚不清楚。组蛋白折叠结构域普遍存在于TAFS中;人们也发现组蛋白四聚体和八聚体结构存在于TFIID 中;近来人们也揭示了果蝇TFIID功能核心亚结构组成的子集：TAFS(TAF4，TAF5，TAF6，TAF9和TAF12)。目前，这些核心亚基被认为是全息TFIID中一式两份，相反，TBP和其他TAFS，则是一个单一的副本，描述了TFIID组装过程中从对称与不对称的过渡。

此项研究，利用低温电子显微镜，向人们展示了在11.6  Å分辨率下人类TFIID 的结构。此结构揭示了2倍体对称交错结构，具有明显的突起，包含之前发现的TAFS保守结构特征，包括组氨酸结构。

进一步的研究证实，TAF8-TAF10复合物的结合破坏了核心TFIID原有的对称结构，由此，研究小组提出产生的非对称结构作为功能支架，通过吸收余下一份TAFS和TBP，并使全息TFIID 组装成核。

RNA聚合酶II的结构

Structural basis of RNA polymerase II backtracking, arrest and reactivation.

RNA聚合酶II(Pol II)是三大RNA聚合酶之一，存在于基因转录装置的核心位置，编码蛋白质基因的转录受到RNA聚合酶的调控。RNA聚合酶解开DNA双链，沿着一条链移动。在移动过程中，它们一边“解读”DNA链上的核苷，一边合成一条相应的RNA链。由Pol II组成的RNA是信使RNA(mRNA)，它们将合成蛋白质的指令传给核糖体。

虽然这一酶的结构已经被测定，但是其中的一些关键问题还没有搞清楚，而且其中一些转录因子的动力学进程，科学家们了解得也并不多。

科学家完成的这一分子动画捕捉了RNA聚合酶II起始和延伸过程中的一些关键因素，为了完成这一动画，研究人员将起始-延伸转化过程中的结构快照，与延伸过程中的快照结合在一起，包括核苷酸添加，易位，停顿，校对，回查，捕捉，重新激活和抑制等。

这一动画揭示了转录过程中的一些开放性问题，也为全球分子生物学等研究领域的教学提供了一个有效的工具。

关于RNA聚合酶的研究其实意义颇为重要，也吸引了不少科学家深入探索，比如近期来自马普研究院的研究人员就针对其中的一种作用成分：P-TEFb酶展开了研究。

他们追踪了这种酶P-TEFb转录因子的功能。P-TEFb给RNA聚合酶II装配上磷酸信息。这些信息被可逆性地附加到C-末端结构域（CTD），发挥重要的作用确保生成一个拷贝的碱基序列。研究人员根据附着这些磷酸残基的P-TEFb解析了这种模式以及存在的标记物影响该酶活性的机制。

染色质重塑复合物的特点

Regulation of ISWI involves inhibitory modules antagonized by nucleosomal epitopes

染色体是由长链DNA通过周围蛋白节点：核小体包装压缩而成的，当DNA被压缩时，这一区域的基因就被关闭了。一些CRC——去组装CRC（disassembly CRCs）在某些细胞进程中能作为马达，解开DNA链区域，使得这些基因激活，还有另一种类型称为组装CRC（assembly CRCs），则作用相反，在这一细胞进程完成后，能将DNA链重新包装起来。这种解开-再包装的重复循环过程贯穿了细胞整个生命周期。

这项研究聚焦于组装CRC。CRC马达的侧面总是有一个‘开关’能抑制其活性，除非遇到一个可以定位在核小体上的标记序列。这个标记翻转了这个抑制开关，从而CRC能令DNA链沿着核小体围绕弯曲，促进基因表达，沉默基因，这一研究结果改变未来研究的方向，即要想了解CRC如何被调控的，不是要去找CRC马达本身，而是要去找马达两侧的一种‘开关’。”

这项研究还指出了CRC的测量功能：检测一个核小体与另外一个核小体之间的正确距离，这个功能能告诉马达在合适的时间上关闭，这对于基因沉默来说十分重要。

（生物通：万纹）

原文摘要：

A Tale of Chromatin and Transcription in 100 Structures

To celebrate a century of X-ray crystallography, I describe how 100 crystal structures influenced chromatin and transcription research.