CDK7激酶通过多组学与生化重构揭示RNA聚合酶II在基因5'和3'端功能调控的新机制

本研究针对转录调控核心激酶CDK7的功能机制难题，通过纯化因子重构转录系统结合多组学分析，首次阐明CDK7通过磷酸化RNAPII CTD结构域协调Mediator和TFIID调控启动子近端暂停释放，并发现其通过维持延伸/终止因子核内稳态控制3'端转录通读。该成果发表于《Cell Reports》，为理解应激反应中转录重编程提供新视角。

　　

基因转录是生命活动的核心过程，RNA聚合酶II(RNAPII)在基因5'端启动转录后，需要突破启动子近端暂停(promoter-proximal pausing)才能进入延伸阶段，这一过程被认为受CDK7激酶调控但机制不明。同时，越来越多的证据显示基因3'端终止异常会导致转录通读(readthrough)，但CDK7在此过程中的作用更是迷雾重重。这些知识缺口严重限制了对基因表达精密调控的理解，特别是在应激反应等生理过程中，转录通读现象频繁出现却缺乏分子解释。

美国科罗拉多大学博尔德分校的Olivia Luyties、Lynn Sanford等研究人员在《Cell Reports》发表重要成果，通过创新性地结合纯化因子转录重构系统与多组学技术，首次系统阐明了CDK7激酶在RNAPII转录全过程中的双重调控机制。研究团队首先突破技术瓶颈，发现传统核提取物中存在17种"污染激酶"干扰CDK7功能研究，进而建立仅含CDK7的纯化转录系统。通过精心设计的脉冲追踪实验(pulse-chase assay)和单分子实时成像技术(smTIRF)，发现CDK7抑制会导致RNAPII在启动子区域滞留增加2倍，并通过Mediator依赖的启动子逃逸(promoter escape)和TFIID依赖的暂停释放(pause release)双重机制调控转录再起始(re-initiation)。更令人惊讶的是，定量质谱分析显示CDK7抑制2小时内，SPT5(DSIF复合物)、PPP1R10/PNUTS等12种关键延伸/终止因子核水平骤降40-50%，伴随全基因组范围3'端通读转录增加，这为理解应激状态下转录重编程提供了全新机制。

关键技术方法包括：1) 使用SY-5609特异性抑制剂和CDK7AS细胞系验证靶点选择性；2) 建立纯化因子转录系统进行体外生化重构；3) 结合smTIRF单分子成像和32P-CTP标记的转录检测；4) 开展PRO-seq和ChIP-seq分析全基因组转录动态；5) 采用TMT标记的定量蛋白质组学和磷酸化组学技术。

研究结果部分：
"CDK7增强启动子近端RNAPII转录以促进再起始"通过体外重构实验证明，CDK7抑制使RNAPII在5-15nt的启动子逃逸区域转录产物增加1.8倍(p<0.01)，并通过RIFT技术量化显示模板活性降低35%。关键发现是Mediator缺失会消除CDK7对启动子逃逸的调控，而用TBP替代TFIID则使系统对CDK7抑制不敏感。

"Mediator和TFIID协同调控CDK7依赖的启动子近端转录"揭示二者独立但协同的作用机制：Mediator通过RNAPII CTD相互作用阻滞逃逸，而TFIID通过未知机制稳定暂停状态，CDK7磷酸化则解除这两种抑制。

"CDK7抑制导致基因3'端通读转录"部分显示，在>120kb长基因的3'端，PRO-seq信号在CDK7抑制后增加2.5倍，且ChIP-seq证实RNAPII在转录终止位点(TES)下游富集。定量蛋白质组发现SPT6、SCAF8等因子核水平下降与磷酸化减少同步发生，暗示CDK7直接调控其稳定性。

结论部分强调，该研究首次建立CDK7通过"双闸门"模型调控转录全过程的完整框架：在基因5'端，CDK7通过磷酸化RNAPII CTD解除Mediator和TFIID的抑制作用；在3'端则通过维持延伸/终止因子核内稳态确保正确终止。这不仅解决了领域内长期争议，更重要的是为理解应激状态下转录通读的分子开关提供了理论依据——CDK7活性受抑可能是细胞响应压力的"总控开关"。技术层面建立的纯化转录系统为后续激酶功能研究树立了新标准。

研究还留下重要问题：CDK7如何特异性识别不同底物因子？因子核输出是否通过特定核孔复合物？这些发现为开发靶向转录调控的疾病治疗策略开辟了新途径，特别是在癌症和神经退行性疾病中异常转录通读的干预方面具有潜在应用价值。