廣告
2023年12月22日，復(fù)旦上醫(yī)徐彥輝團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》（Science）雜志上在線發(fā)表題為“Structural visualization of transcription initiation in action”的研究長(zhǎng)文（Research Article）。該項(xiàng)研究首次用結(jié)構(gòu)重現(xiàn)出了轉(zhuǎn)錄從頭起始的16個(gè)連續(xù)動(dòng)態(tài)全過(guò)程，揭示了通用轉(zhuǎn)錄因子(GTFs)和轉(zhuǎn)錄泡協(xié)同RNA聚合酶Pol II調(diào)控轉(zhuǎn)錄起始向轉(zhuǎn)錄延伸轉(zhuǎn)變的分子機(jī)制。
一部58萬(wàn)張照片的分子定格電影
生命的遺傳物質(zhì)是DNA，而DNA可以通過(guò)自我復(fù)制，伴隨著細(xì)胞的分裂傳遞遺傳信息。DNA可以通過(guò)轉(zhuǎn)錄形成RNA，RNA通過(guò)翻譯的過(guò)程合成蛋白質(zhì)。
轉(zhuǎn)錄是基因表達(dá)調(diào)控的核心，基因表達(dá)調(diào)控在人的發(fā)育、疾病發(fā)生過(guò)程中起到重要作用。真核細(xì)胞的基因轉(zhuǎn)錄需要經(jīng)歷起始，延伸，終止等多個(gè)階段。多細(xì)胞生物為了滿足在同一套基因組的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)差異性的基因表達(dá)，需要經(jīng)過(guò)非常復(fù)雜且精細(xì)的基因表達(dá)調(diào)控過(guò)程?；虮磉_(dá)調(diào)控主要集中發(fā)生在轉(zhuǎn)錄的起始階段，細(xì)胞中基因的轉(zhuǎn)錄默認(rèn)是低活性狀態(tài)，需要經(jīng)歷一系列復(fù)雜的轉(zhuǎn)錄起始過(guò)程，才能起始基因表達(dá)。轉(zhuǎn)錄起始過(guò)程涉及十余個(gè)復(fù)合物上百個(gè)蛋白的巨大轉(zhuǎn)變，過(guò)去幾十年來(lái)，眾多的實(shí)驗(yàn)室利用生物化學(xué)、單分子生物物理以及結(jié)構(gòu)生物學(xué)等方法開(kāi)展了大量探索性的工作，但對(duì)其發(fā)生過(guò)程和分子機(jī)制的理解還不夠深入。
轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控示意圖。黃色數(shù)字標(biāo)注是徐彥輝團(tuán)隊(duì)過(guò)去幾年來(lái)在轉(zhuǎn)錄起始方向取得的代表性成果。
在此項(xiàng)研究中，徐彥輝團(tuán)隊(duì)解析了一個(gè)轉(zhuǎn)錄過(guò)程中重要的動(dòng)態(tài)事件：從轉(zhuǎn)錄起始向轉(zhuǎn)錄延伸的過(guò)渡，這一事件也被稱(chēng)為啟動(dòng)子逃逸。啟動(dòng)子逃逸是轉(zhuǎn)錄從起始到延伸的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折步驟，在這一過(guò)程中RNA聚合酶II的構(gòu)象需要發(fā)生變化，在生成RNA產(chǎn)物的同時(shí)解離通用轉(zhuǎn)錄因子。
長(zhǎng)期以來(lái)，這一過(guò)程一直蒙著神秘面紗。中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所研究員朱冰在專(zhuān)家點(diǎn)評(píng)中解讀，“這（揭示啟動(dòng)子逃逸過(guò)程）是領(lǐng)域中一個(gè)長(zhǎng)期未能解決的問(wèn)題，因?yàn)檫@是一個(gè)快速的動(dòng)態(tài)事件，RNA聚合酶II延伸的速度一般被認(rèn)為是每分鐘幾千個(gè)堿基，而啟動(dòng)子逃逸過(guò)程涉及的大約只有最初的20個(gè)左右的堿基的合成，也就是說(shuō)需要在幾秒鐘內(nèi)完成一系列的動(dòng)態(tài)事件，這對(duì)于結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。”
在研究過(guò)程中，徐彥輝團(tuán)隊(duì)致力于將這一瞬間定格為永恒。據(jù)介紹，研究人員設(shè)計(jì)了一系列的轉(zhuǎn)錄模板，可以控制RNA聚合酶II停在轉(zhuǎn)錄最初17個(gè)堿基時(shí)的任意一個(gè)堿基位置。這一設(shè)計(jì)好比讓連貫的場(chǎng)景變成一楨楨定格畫(huà)面，隨后，研究人員逐步捕捉每一步的畫(huà)面，連貫而成一部動(dòng)態(tài)“電影”。這部“電影”也首次描繪出了連續(xù)的轉(zhuǎn)錄起始動(dòng)態(tài)全過(guò)程，揭示完整轉(zhuǎn)錄起始過(guò)程及其分子機(jī)制。
由于復(fù)合物的組成和構(gòu)象不均一，為了獲得高分辨率結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，研究人員利用復(fù)旦上醫(yī)平臺(tái)300 kV 冷凍電鏡采集了約110天，共58萬(wàn)張照片數(shù)據(jù)，獲得了分別暫停在轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)下游2-17位核苷酸，核心分辨率為2.7-3.3 ?，共16個(gè)轉(zhuǎn)錄復(fù)合物（TC2-TC17）的結(jié)構(gòu)。通過(guò)這16個(gè)連續(xù)的結(jié)構(gòu)，結(jié)合早期該團(tuán)隊(duì)解析的轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物PIC結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)得以描繪這一動(dòng)態(tài)全過(guò)程。
體外重建轉(zhuǎn)錄復(fù)合物體系。（A）16個(gè)（分別暫停在轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)下游2-17位核苷酸的位置）的G-less DNA模板示意圖。（B）體外轉(zhuǎn)錄活性實(shí)驗(yàn)。（C）轉(zhuǎn)錄復(fù)合物體外組裝示意圖。
解析的16個(gè)轉(zhuǎn)錄復(fù)合物結(jié)構(gòu)
通過(guò)動(dòng)態(tài)全過(guò)程的描繪，研究團(tuán)隊(duì)首次觀測(cè)到啟動(dòng)子逃逸的“關(guān)鍵一刻”正是當(dāng)RNA鏈由9個(gè)核苷酸（nucleotide，nt）增加到10 nt時(shí)，NTP水解驅(qū)動(dòng)RNA-DNA移位并推動(dòng)所累積的模板單鏈脹破由TFIIB和Pol II形成的模板鏈通道，導(dǎo)致TFIIB連帶其他GTF從Pol II上解離，轉(zhuǎn)錄泡“崩塌”（bubble collapse），轉(zhuǎn)錄復(fù)合物由ITC轉(zhuǎn)變成EEC狀態(tài)，Pol II從啟動(dòng)子逃逸（promoter escape）。
生命設(shè)計(jì)這一分子層面的“過(guò)河拆橋”，其邏輯在于：為了避免異常的基因表達(dá)，真核基因默認(rèn)是沉默狀態(tài)，Pol II本身無(wú)法打開(kāi)啟動(dòng)起始轉(zhuǎn)錄，為了起始轉(zhuǎn)錄，需要GTF幫助Pol II結(jié)合啟動(dòng)子開(kāi)始合成RNA，完成起始后當(dāng)RNA-Pol II-DNA足夠穩(wěn)定， Pol II要進(jìn)入延伸階段離開(kāi)啟動(dòng)子區(qū)域，需要擺脫GTF和啟動(dòng)子的束縛。
“用最復(fù)雜的完整的復(fù)合物去開(kāi)展研究”
過(guò)去幾十年來(lái)，關(guān)于轉(zhuǎn)錄起始研究達(dá)數(shù)百篇，但由于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)材料的不一致，不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)論之間相互矛盾，許多結(jié)論長(zhǎng)期以來(lái)未得到統(tǒng)一。
本研究將眾多看似矛盾的結(jié)論作了統(tǒng)一，回答了起始過(guò)程中眾多問(wèn)題，揭示了轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控的機(jī)制，為理解基因表達(dá)調(diào)控奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。該研究也開(kāi)創(chuàng)了利用生化和結(jié)構(gòu)生物學(xué)重構(gòu)生物大分子機(jī)器動(dòng)態(tài)過(guò)程，揭示其工作機(jī)制的新路徑，為眾多復(fù)雜過(guò)程的研究提供了新思路。
此前，徐彥輝團(tuán)隊(duì)連續(xù)在Science雜志發(fā)表5篇研究論文，揭示多個(gè)轉(zhuǎn)錄起始關(guān)鍵過(guò)程的分子機(jī)制，包括揭示人源BAF復(fù)合物的染色質(zhì)重塑機(jī)制（點(diǎn)此閱讀）、轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物識(shí)別基因啟動(dòng)子及其動(dòng)態(tài)裝配機(jī)制（點(diǎn)此閱讀）、中介體促進(jìn)RNA聚合酶磷酸化和轉(zhuǎn)錄激活機(jī)制（點(diǎn)此閱讀）、+1核小體調(diào)控轉(zhuǎn)錄起始的分子機(jī)制（點(diǎn)此閱讀）以及發(fā)現(xiàn)并鑒定新型轉(zhuǎn)錄調(diào)控復(fù)合物INTAC（點(diǎn)此閱讀）。上述工作較為系統(tǒng)地揭示了轉(zhuǎn)錄起始各個(gè)階段關(guān)鍵點(diǎn)的復(fù)合物狀態(tài)，推動(dòng)了對(duì)轉(zhuǎn)錄機(jī)制的深入理解。
“當(dāng)我們想進(jìn)入到這個(gè)領(lǐng)域的時(shí)候，我們也可以走簡(jiǎn)單的路，但是我們希望從根本上去回答這個(gè)問(wèn)題，用最復(fù)雜的完整的復(fù)合物去開(kāi)展研究。”徐彥輝表示?！拔覀兌际钦驹趲资晟徒Y(jié)構(gòu)研究基礎(chǔ)上，才能得到現(xiàn)在的一些發(fā)現(xiàn)。當(dāng)然，給大家傳遞的信息是我們對(duì)于生命的分子事件的理解還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到真實(shí)的程度，還有很多未知的東西需要我們?nèi)ヌ剿??！蔽磥?lái)，團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步探索更多轉(zhuǎn)錄過(guò)程的圖景。
復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院青年研究員陳曦子、復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院2019級(jí)直博生劉維達(dá)、青年研究員王茜敏以及粵港澳大灣區(qū)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究院博士后王鑫鑫為本文共同第一作者，復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院研究員、生物醫(yī)學(xué)研究院兼職研究員徐彥輝為通訊作者。
原文鏈接：https://doi.org/10.1126/science.adi5120
（原標(biāo)題：第六篇Science！復(fù)旦上醫(yī)徐彥輝團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)描繪轉(zhuǎn)錄起始連續(xù)動(dòng)態(tài)全過(guò)程）
本文鏈接：http://www.3ypm.com.cn/news-8-629-0.html第六篇Science，復(fù)旦上醫(yī)團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)描繪轉(zhuǎn)錄起始連續(xù)動(dòng)態(tài)全過(guò)程
聲明：本網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容由互聯(lián)網(wǎng)博主自發(fā)貢獻(xiàn)，不代表本站觀點(diǎn)，本站不承擔(dān)任何法律責(zé)任。天上不會(huì)到餡餅，請(qǐng)大家謹(jǐn)防詐騙！若有侵權(quán)等問(wèn)題請(qǐng)及時(shí)與本網(wǎng)聯(lián)系，我們將在第一時(shí)間刪除處理。
點(diǎn)擊右上角
微信好友
朋友圈
點(diǎn)擊瀏覽器下方“
”分享微信好友Safari瀏覽器請(qǐng)點(diǎn)擊“
”按鈕
點(diǎn)擊右上角
QQ
點(diǎn)擊瀏覽器下方“”分享QQ好友Safari瀏覽器請(qǐng)點(diǎn)擊“”按鈕
