华人学者Nature发表基因表达研究重大突破

　　

生物通报道  来自乔治亚州立大学、加州大学伯克利分校和美国西北大学的研究人员，提供了基因表达关键早期事件前所未有的分子视图。这项研究发布在《自然》（Nature）杂志上。

劳伦斯伯克利国家实验室、加州大学伯克利分校的科学家Eva Nogales，与任职于劳伦斯伯克利国家实验室及美国西北大学的何源（Yuan He，音译）博士是这篇论文的共同通讯作者。

今年3月，利用低温电子显微镜(cryo-EM)， Eva Nogales和她的研究小组取得了一个重大的突破，增进了我们对细胞机器找到正确的DNA进行复制这一机制的认识，以前所未有的细节揭示了一种超强转录因子TFIID的作用。这项研究发表在Nature杂志上。何源博士也是该篇Nature论文的第一作者（Nature揭开基因表达的秘密 ）。

cryo-EM是一项在低温下研究样品的技术（Nature Methods公布2015年度技术 ），结合先进的计算机建模，让研究人员能够在近原子分辨率下显像转录起始前复合物(PIC)。PIC是一个定位RNA聚合酶，使得它能够启动转录的蛋白装配体。

新结构阐明了在整个转录起始过程中，包括识别基因启动转录的DNA启动子区域，打开这一启动子区域并启动转录时，PIC连续的构象改变。

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基因是由DNA构成，充当了我们所有遗传信息的储存库。为了利用编码在基因中的信息，RNA聚合酶必须生成一份信使RNA形式的拷贝。这一称作为转录的拷贝过程是对生命至关重要的中心活动之一。

在这一严密控制过程的开始时，RNA聚合酶和普通转录因子蛋白会在沿着DNA的一个特定位点装配形成PIC。PIC装配是打开启动子双链DNA螺旋，在RNA聚合酶活性位点定位DNA及启动转录过程的必要条件。随后信使RNA转录物被利用来生成蛋白质。

乔治亚州立大学化学副教授Ivaylo Ivanov说：“这篇论文提供了参与转录过程早期阶段的这一复合物的详细结构信息。我们探究了RNA聚合酶和普通转录因子为了打开转录泡，开启转录过程采取的步骤。这是一个以往用晶体学或任何其他的结构方法都无法获得的、非常重要的系统。这是第一次近原子Cryo-EM重建人类PIC装配。”

化学交联和晶体学窥见了来自酵母等真核生物的部分RNA聚合酶复合物，但这些技术无法解开整个PIC复合物的结构。尚未充分认识导致PIC介导DNA解旋的事件和过程以及转录泡的形成。转录泡是在部分DNA双链解开时转录过程中出现的分子结构。

为了建立PIC复合物的详细原子模型，研究人员应用了综合分子建模技术，他们捕获了三种不同功能状态的人类PIC：（1）结合启动子区域DNA双螺旋的闭合状态，（2）结合转录泡的开放状态和（3）准备执行信使RNA合成化学过程的起始转录复合物。他们还呈现了人类PIC装配体许多以往未确定的组件。这些研究结果揭示了TFIIH转录因子完整的亚基组织，TFIIH在开放启动子区域中起关键作用。TFIIH是PIC装配体最难解析的组件之一。

Ivanov说：“我们获得了从前未曾为这一人类复合体确立的许多新显像的结构元件。”

比较PIC的闭合、开放和起始转录状态提供了有关DNA结合、启动子融化和转录泡稳定过程机制上的一些新认识。

RNA聚合酶II（Pol II）是我们基因表达的一个关键酶，负责将DNA转录为信使RNA（mRNA）。Pol II的转录精确性是非常重要的，因为转录失真会引起衰老和人类疾病（比如癌症）。好在Pol II能够及时发现并纠正自身的错误，确保每个新生mRNA与DNA模板相符。不过，科学家们对这一过程还并不那么了解。

近日香港科技大学（HKUST）的科学家们在Nature Communications 杂志上发表文章，揭示了Pol II控制转录精确性的一个关键机制。他们建立了一个动力学模型（Markov State Model），在原子水平上阐明了Pol II回头纠错的动态过程（中国学者Nature子刊揭开关键转录机制 ）。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Near-atomic resolution visualization of human transcription promoter opening

In eukaryotic transcription initiation, a large multi-subunit pre-initiation complex (PIC) that assembles at the core promoter is required for the opening of the duplex DNA and identification of the start site for transcription by RNA polymerase II. Here we use cryo-electron microscropy (cryo-EM) to determine near-atomic resolution structures of the human PIC in a closed state (engaged with duplex DNA), an open state (engaged with a transcription bubble), and an initially transcribing complex (containing six base pairs of DNA–RNA hybrid). Our studies provide structures for previously uncharacterized components of the PIC, such as TFIIE and TFIIH, and segments of TFIIA, TFIIB and TFIIF. Comparison of the different structures reveals the sequential conformational changes that accompany the transition from each state to the next throughout the transcription initiation process. This analysis illustrates the key role of TFIIB in transcription bubble stabilization and provides strong structural support for a translocase activity of XPB.