Nature揭开基因表达的秘密

　　

生物通报道  你的DNA不止控制了你的眼睛是什么颜色，是否可以卷起你的舌头。你的基因中包含了生成所有蛋白质的指令，细胞时时需要蛋白质来维持你的生存。然而直到现在，这一过程在分子水平上运作的一些关键方面仍然是难解的谜。

利用低温电子显微镜(cryo-EM)，劳伦斯伯克利国家实验室的科学家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（Nature新文章解析人类重要转录因子 ）。

这一研究发现非常重要，它为科学家们认识及治疗许多的恶性肿瘤铺平了道路。Nogales说：“了解细胞中的这一调控过程是在它变坏时操控或修复它的唯一途径。基因表达是从胚胎发育到癌症许多必需生物过程的核心。有一天我们将能够操控这些基本的机制，纠正应该或不应该存在的基因表达，或是应对这一过程失控的恶性状态。”

这项研究发表在3月23日的《自然》（Nature）杂志上。

还在霍华德休斯医学研究所及加州大学伯克利分校任职的Nogales从事研究表达研究已有18年。近年来，Nogales和她的研究小组取得了几个重大的研究发现。

2014年5月，Nogales领导加州大学伯克利分校的科学家们发现了处方药紫杉醇在细胞内的极微妙效应，正是这一效应使得它成为了世界上最广泛应用的抗癌药物之一。揭示出紫杉醇干扰细胞骨架组成部分——微管正常功能的一些细节，有可能帮助设计出更好的抗癌药物，或是改善紫杉醇或是其他已知破坏微管运作的药物。这些研究结果发布在Cell杂志上（Cell揭示抗癌药物紫杉醇作用机制 ）。

2015年4月，Nogales与CRISPR先驱Jennifer A. Doudna合作，通过cryo-EM获得了天然III型Cmr复合体及其与目标RNA结合时的高分辨率结构（接近原子水平），为人们揭示了Cmr结合靶标的具体机制。这项研究发表在Science杂志上（CRISPR先驱Science、Nature相继发表最新成果 ）。

“然而这是迄今为止取得的最大的突破，”Nogales说：“这是将会添加到生物化学教科书上的知识。我们现在获得了在每个基因起始处形成的整个蛋白质复合物的结构。这是无人曾经做到的事情，因为采用传统淀粉方法来研究它非常的困难。”

遗传信息在活体生物钟的流动机制被称作为“分子生物学的中心法则”。细胞不断地响应环境中发生的事情来开启和关闭一些基因，为此细胞利用了它的大遗传蓝图文库DNA来寻找正确的部分，以信使RNA（mRNA）形式生成一份拷贝；随后mRNA被用来生成需要的蛋白质。

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这一“文库”有个问题，就是它没有页数或目录。但存在于特异DNA序列（核心启动子基序）中的一些标记物表明了基因开始和结束的位置。那么负责执行转录的聚合酶是如何知道从哪里开始呢？Nogales 说：“DNA是一个极大、极大的分子。你必须找到这一基因起始的位置，因此聚合酶知道从何处启动复制。转录因子TFIID是通过识别和结合DNA核心启动子区域来完成这项工作的蛋白质复合物。”

Nogales和她的研究小组以前所未有的细节，在TFIID识别基因的启动子区域时显像了结合DNA的TFIID。她们还发现它充当了需要在这一位置装配的所有分子机器——转录起始前复合物（PIC）的着陆台。这一PIC最终确定了聚合酶的位置，因此它可以启动转录。

“TFIID不仅要结合DNA、招募及充当着陆台，它还必须在生物体生命中的任何指定时刻以不同的方式为不同的基因做到这一切，”Nogales说。

“我们生成了第一个基于TFIID的完整人类PIC结构模型。我们的模型提供了有关PIC装配的一些新认识，包括TFIID在招募PIC其他组件至启动子DNA中的作用，长期以来观察到的TFIID构象灵活性在调控转录起始中的作用。

尽管这项研究揭示了基因表达一些重要的新见解，Nogales指出仍有许多的工作要做。接下来她打算调查TFIID能够为不同的基因类型识别不同序列的机制，及它如何受到辅因子和激活子的调控。

“我们才刚刚开始。这一复合物TFIID非常非常的重要。现在我们打破了一些障碍，在这个意义上讲，可以开始生成一些原子模型及深入了解DNA结合机制的一些细节。”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Structure of promoter-bound TFIID and model of human pre-initiation complex assembly

The general transcription factor IID (TFIID) plays a central role in the initiation of RNA polymerase II (Pol II)-dependent transcription by nucleating pre-initiation complex (PIC) assembly at the core promoter. TFIID comprises the TATA-binding protein (TBP) and 13 TBP-associated factors (TAF1–13), which specifically interact with a variety of core promoter DNA sequences. Here we present the structure of human TFIID in complex with TFIIA and core promoter DNA, determined by single-particle cryo-electron microscopy at sub-nanometre resolution. All core promoter elements are contacted by subunits of TFIID, with TAF1 and TAF2 mediating major interactions with the downstream promoter. TFIIA bridges the TBP–TATA complex with lobe B of TFIID. We also present the cryo-electron microscopy reconstruction of a fully assembled human TAF-less PIC. Superposition of common elements between the two structures provides novel insights into the general role of TFIID in promoter recognition, PIC assembly, and transcription initiation.