Nature新文章：转录起始的快照

　　

生物通报道  来自美国能源部(DOE) 劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员在转录机制研究取得重大进展，第一次逐步观察了生物分子机器读取人类基因组的过程。这一研究工作发表在2月27日的《自然》（Nature）杂志上。

研究的领导者、生物物理学家Eva Nogales说：“我们提供了一系列的快照，显示了基因组是如何一次读取一个基因的。为了将遗传密码转录为信使RNA，必须要打开DNA双螺旋，将基因序列放置到适当的位置，RNA聚合酶才能识别基因起始位点催化转录。我们生成的电子显微镜图像显示了这一过程。”

国立卫生研究院下属普通医学科学研究所的Paula Flicker说：“转录过程对于所有生物均至关重要，因此了解它的起始过程具有极为重要的意义。这项工作是一个极好的例子，研究人员整合多种方法揭示了一个大分子复合物的结构，并提供了关于这一基础细胞过程分子基础的新认识。”

借助这一基本生命过程，利用活细胞基因组中的信息来生成执行细胞活动的生物分子，这就是所谓的“分子生物学中心法则”。它表明了遗传信息是从DNA、RNA向蛋白质流动。这一直接的信息流动是由一个精细的蛋白质系统所启动，以机器般的精密度、高度程序化的方式运作。了解转录过程中这一蛋白质机器的运作机制，是鉴别引发癌变或其他大量问题的功能失常的必要条件。

Nogales和研究组成员利用低温电子显微镜(cryo-EM)，在体外对重构和纯化的“预转录起始复合物”展开了研究。“这一复合物是由RNA聚合酶II(Pol II)，以及包括TATA-结合蛋白(TBP)、TFIIA、TFIIB、TFIIF、TFIIE和 TFIIH在内通用转录因子构成的一个大型复合物。在这一复合物中所有的元件协同作用确保将DNA正确加载到基因序列起始处的Pol II中。

“当前缺乏关于预转录起始复合物装配机制的结构信息，借助cryo-EM和我们体外重建的系统，我们能够提供转录起始各个阶段的模拟原子模型，阐明在这一按部就班的过程中关键性的分子互作，”Nogales说。

论文的主要作者、Nogales研究组博士后Yuan He在体外重构了这一预转录起始复合物。

“这一重组系统为我们提供了一个模型，显示了转录起始连续装配路径，对于我们获得最均匀的生化样本至关重要。它也赋予了我们利用自动化数据采集和加工，以一种强有力的方式生成所有结构的能力，”Nogales说。

在这一步一步的cryo-EM图像中的新细节，揭示了转录因子蛋白TFIIF结合Pol II和DNA启动子，稳定封闭的DNA预转录复合物和开放的DNA启动子复合物的过程，还揭示了转录起始位点选择调控机制。

“通过比较封闭和开放的DNA状态，我们提出了一个模型描述启动子开放过程中DNA的移动机制。我们的研究提供了THIIH利用ATP水解作为能源，打开和推动NDA到Pol II活性位点的新认识，”Yuan He说。

Nogales和同事们计划进一步研究将DNA加载到Pol II的过程，以及其他基因表达调控必需的转录因子的组装机制。

Nogales 说：“我们的目标是：真正构建出一个识别和调控所有人类DNA启动子的完整蛋白质机器的结构模型。现在我们需要将获得的这一结构框架与生物化学和结构数据相整合，从而获得对转录起始机制标准统一的认识。”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Structural visualization of key steps in human transcription initiation

Eukaryotic transcription initiation requires the assembly of general transcription factors into a pre-initiation complex that ensures the accurate loading of RNA polymerase II (Pol II) at the transcription start site. The molecular mechanism and function of this assembly have remained elusive due to lack of structural information. Here we have used an in vitro reconstituted system to study the stepwise assembly of human TBP, TFIIA, TFIIB, Pol II, TFIIF, TFIIE and TFIIH onto promoter DNA using cryo-electron microscopy. Our structural analyses provide pseudo-atomic models at various stages of transcription initiation that illuminate critical molecular interactions, including how TFIIF engages Pol II and promoter DNA to stabilize both the closed pre-initiation complex and the open-promoter complex, and to regulate start--initiation complexes, combined with the localization of the TFIIH helicases XPD and XPB, support a DNA translocation model of XPB and explain its essential role in promoter opening.