编辑推荐：
为解析 RNAPII 在染色质转录中的机制，研究者利用 ChIP-CryoEM 技术，从人细胞核分离转录中的 RNAPII 复合物，首次解析其与 DNA 或核小体结合的 4 种结构，揭示核小体解聚 / 重组过程，为理解基因表达调控提供关键结构基础。
在生命科学领域，基因转录是遗传信息传递的核心环节，而 RNA 聚合酶 II（RNAPII）作为转录的核心酶，其在染色质环境中的动态行为一直是研究的难点。染色质由 DNA 和组蛋白组成核小体结构，形成 “串珠状” 构象，这使得 RNAPII 在转录过程中需要克服核小体的物理屏障。尽管已有研究通过体外重组系统揭示了 RNAPII 与转录延伸因子（如 SPT4/5、ELOF1、SPT6 等）协同作用的部分机制，但在天然细胞核环境中，RNAPII 如何与染色质相互作用、核小体解聚与重组的动态过程等关键问题仍不明确。
为解决这些难题，日本东京大学、九州大学等机构的研究人员开展了相关研究。他们开发了染色质免疫沉淀结合冷冻电镜（ChIP-CryoEM）技术，从人 HeLa 细胞的细胞核中分离出与基因组 DNA 或核小体结合的 RNAPII 复合物，并利用冷冻电镜解析其高分辨率结构。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为理解 RNAPII 在天然染色质环境中的转录机制提供了突破性的结构 insights。
研究中用到的主要关键技术方法包括：
- ChIP-CryoEM 技术：通过 FLAG 标签免疫沉淀结合 RNAPII，结合微球菌核酸酶处理和蔗糖梯度离心，分离天然状态的 RNAPII 复合物，再经冷冻电镜成像和三维重构解析结构。
- 质谱分析与 Western blot：用于鉴定 RNAPII 复合物中的结合蛋白，验证转录延伸因子和核小体组分的存在。
- 冷冻电镜数据处理与模型构建：利用 RELION 等软件进行颗粒挑选、分类和三维重构，并基于已知结构模型（如牛 RNAPII、酵母核小体复合物）构建人源 RNAPII 复合物的原子模型。
研究结果
1. ChIP-CryoEM 揭示人细胞核中 RNAPII 的多样结构
通过 ChIP-CryoEM 分析，研究人员获得了 4 种 RNAPII 延伸复合物（EC）的结构：
- 无延伸因子的 EC（分辨率 2.7?）和含 SPT4/5、ELOF1、SPT6 的 EC（分辨率 3.1?），两者均显示 RNAPII 与基因组 DNA 和新生 RNA 结合，表明其处于活跃转录状态。
- 下游核小体结合的 EC（EC-downstream nucleosome，分辨率 4.1?）：RNAPII 暂停于核小体超螺旋位置 SHL (-5)，核小体 DNA 在 SHL (-7)-SHL (-6) 区域从组蛋白表面剥离，H2A 的 Arg77 与 DNA 骨架相互作用，可能是暂停的关键机制。
- 上游核小体结合的 EC（EC-upstream nucleosome，分辨率 3.6?）：核小体重新组装于 RNAPII 上游 DNA，H2A-H2B 二聚体与 RNAPII 的 RPB2 壁直接接触，RPB4/7 茎部和 RPB1 钳芯结合核小体 DNA，提示 EC 在核小体重组过程中发生暂停。
2. 延伸因子的作用机制
在含 SPT4/5-ELOF1-SPT6 的 EC 结构中，SPT5 通过 NGN、KOW 等结构域与 RNAPII 的上游 DNA 出口通道结合，ELOF1 与 SPT5 的 NGN 结构域及 RNAPII 的 RPB2 叶、RPB1 钳头相互作用，形成 DNA 入口通道。SPT6 则通过核心区域与 SPT5 的 KOW 结构域结合，并连接 RPB4/7 茎部，稳定复合物构象。这些相互作用增强了 RNAPII 对核小体的转录能力，与酵母系统中的机制相似，但 SPT6 的结合模式显示出更高的灵活性。
3. 核小体解聚与重组的动态过程
下游核小体结构显示，RNAPII 在 SHL (-5) 的暂停不依赖 DNA 序列，可能是染色质转录的普遍现象。上游核小体结构则表明，RNAPII 通过 RPB2 壁与 H2A-H2B 二聚体的相互作用，直接参与核小体重组，提示存在不依赖延伸因子和组蛋白分子伴侣（如 FACT）的核小体重组途径。这与酵母中依赖 SPT4/5 和 FACT 的机制不同，表明人类细胞中可能存在更灵活的核小体调控机制。
研究结论与意义
本研究通过 ChIP-CryoEM 技术首次解析了人细胞核中天然 RNAPII 复合物的多样结构，揭示了 RNAPII 在核小体解聚（SHL (-5) 暂停）和重组（上游核小体相互作用）过程中的关键机制。研究发现延伸因子 SPT4/5、ELOF1、SPT6 通过特定结构域协同作用，增强 RNAPII 的转录延伸能力，而 RNAPII 本身的结构组分（如 RPB2 壁、RPB4/7 茎部）在核小体相互作用中发挥核心作用。这些结果不仅填补了哺乳动物染色质转录机制的空白，还为理解基因表达调控、转录偶联的 DNA 修复及染色质动态调控提供了重要结构基础。此外，ChIP-CryoEM 技术为解析天然染色质结合复合物的结构提供了通用方法，有望推动表观遗传学和转录调控领域的进一步发展。
