Cell：揭秘双面转录因子

　　

生物通报道：动物界如此庞大的多样性是如何从有限的基因库演化而来的呢？小鼠之所以一直是医学研究的有效模型，是因为它与人类共有80%的蛋白编码基因。越来越多的科学证据显示，自然界惊人复杂性的关键在于转录因子对基因表达的调控。现在，美国能源部Lawrence Berkeley实验室和加州大学伯克利分校的研究人员，发现了关键转录因子通过结构转换调节基因表达的秘密。

生物物理学家Eva Nogale领导的研究人员通过单颗粒冷冻电子显微镜，发现TFIID转录因子有两种不同的结构状态并存。这两种状态（标准态和重排态）的差别只在于一个亚结构元件lobe A的易位，而这一结构转换能够起始转录，将DNA的遗传学信息转录到RNA中以便进行蛋白合成。

“TFIID能在标准态和重排态之间波动，” 文章通讯作者，顶尖电镜专家Nogales说。“当TFIID结合另一个转录因子TFIIA时，主要转为标准态。但当TFIIA和DNA都存在时，TFIID转为重排态，以识别和结合关键的DNA序列，这也标志着转录过程的开始。”

转录是生物生长、发育和生存健康的关键过程，研究TFIID结构转变及其在转录中的作用，有助于进一步理解基因表达调控。

随着越来越多生物的基因组被测序，人们发现基因组中的基因总数并不能反映生物的复杂性。例如，果蝇比线虫（Caenorhabditis elegans）复杂得多，但其基因却比线虫少了约六千个。果蝇基因组约有两万个基因，而据推测人类的基因总数也不过在三万到四万之间。果蝇和线虫体内调控基因表达的转录因子约有一千种，而人类差不多有三千种。这些转录因子往往以多种组合的形式起作用，由此带来了更大的复杂性。

“尽管在多细胞动物的进化过程中，蛋白编码基因的数量相对稳定，但DNA调控元件的数量却在显著增加，” Nogales说。“我们发现TFIID存在两种结构和功能形式，展示了转录因子组合调控基因表达水平从而增加多样性的机制。”

Nogales及其同事通过单颗粒冷冻电子显微镜，首次获得了人类TFIID与DNA结合的三维图象。“我们发现TFIID有着惊人的灵活性，其lobe A区域约占复合体的三分之一，而这一区域能够易位100埃，”文章第一作者Michael A. Cianfrocco说。“lobe A易位是TFIID结合DNA所必需的。”

无DNA存在时TFIID倾向于标准态，此时TFIID的lobe A与lobe C结合。而重组态时TFIID的lobe A与lobe B结合，使TFIID能够与DNA的启动子牢固结合。

“TFIIA分子介导了这一易位过程，在无DNA时TFIIA维持TFIID的标准态，而当DNA启动子出现后它帮助起始TFIID的重组态，” Cianfrocco说。“没有TFIIA的存在，TFIID与DNA的结合很弱。”

Nogales及其同事正在研究TFIID结合DNA后，如何招募基因转录所需的其它蛋白。“这包括构建超过两百万道尔顿的大分子复合体，差不多有细菌核糖体那么大，” Nogales说。“这一复合物的尺寸及其相对不稳定性，将是实验面临的主要挑战。”

 

（生物通编辑：叶予）

生物通推荐原文摘要：

Human TFIID Binds to Core Promoter DNA in a Reorganized Structural State

A mechanistic description of metazoan transcription is essential for understanding the molecular processes that govern cellular decisions. To provide structural insights into the DNA recognition step of transcription initiation, we used single-particle electron microscopy (EM) to visualize human TFIID with promoter DNA. This analysis revealed that TFIID coexists in two predominant and distinct structural states that differ by a 100 Å translocation of TFIIDs lobe A. The transition between these structural states is modulated by TFIIA, as the presence of TFIIA and promoter DNA facilitates the formation of a rearranged state of TFIID that enables promoter recognition and binding. DNA labeling and footprinting, together with cryo-EM studies, were used to map the locations of TATA, Initiator (Inr), motif ten element (MTE), and downstream core promoter element (DPE) promoter motifs within the TFIID-TFIIA-DNA structure. The existence of two structurally and functionally distinct forms of TFIID suggests that the different conformers may serve as specific targets for the action of regulatory factors.