復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院徐彥輝課題組揭示轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物識(shí)別啟動(dòng)子及動(dòng)態(tài)組裝的分子機(jī)制

以人類(lèi)為代表的高等生物，進(jìn)化出復(fù)雜的基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制，利用同一套基因組遺傳信息，分化出數(shù)百種不同的細(xì)胞類(lèi)型，以適應(yīng)對(duì)復(fù)雜生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程的需要.轉(zhuǎn)錄起始過(guò)程發(fā)生在幾萬(wàn)種不同基因的高度多樣化的啟動(dòng)子區(qū).圍繞啟動(dòng)子區(qū)轉(zhuǎn)錄起始過(guò)程的調(diào)控，是細(xì)胞體系內(nèi)最為核心的生命過(guò)程之一，對(duì)其研究一直是生命科學(xué)的重大前沿課題.

4月1日，復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院徐彥輝課題組在《科學(xué)》(Science)雜志上在線(xiàn)發(fā)表了研究長(zhǎng)文(Research Article) “Structural insights into preinitiation complex assembly on core promoters”.該項(xiàng)研究首次報(bào)道了包含TFIID的完整轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物(PIC)結(jié)構(gòu)，揭示了PIC如何識(shí)別不同類(lèi)型啟動(dòng)子并完成多步組裝的完整動(dòng)態(tài)過(guò)程.

為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的基因表達(dá)調(diào)控，人體細(xì)胞中進(jìn)化出以RNA聚合酶Ⅱ(PolⅡ，以下簡(jiǎn)稱(chēng)聚合酶)為核心的轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物(preinitiation complex， PIC)，識(shí)別幾乎所有編碼基因和大部分非編碼基因的啟動(dòng)子區(qū)，響應(yīng)各種轉(zhuǎn)錄調(diào)控信號(hào)，起始基因轉(zhuǎn)錄.

目前的分子生物學(xué)教科書(shū)中對(duì)轉(zhuǎn)錄起始模型是TBP特異性識(shí)別并彎曲含有TATA box的啟動(dòng)子(TATA box promoter)，招募聚合酶并組裝PIC啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄.然而，有超過(guò)85%的人類(lèi)基因啟動(dòng)子不含有TATA box，稱(chēng)為T(mén)ATA-less啟動(dòng)子，并且?guī)缀跛械幕蜣D(zhuǎn)錄過(guò)程都需要完整的TFIID復(fù)合物，其功能并不能夠被TBP所替代.因此，盡管已有大量基于TBP的PIC復(fù)合物結(jié)構(gòu)研究，包含TFIID的完整PIC是如何在不同類(lèi)型啟動(dòng)子上進(jìn)行組裝的，一直沒(méi)有得到闡明.對(duì)于超過(guò)85%以上的基因，轉(zhuǎn)錄起始是如何發(fā)生的，是轉(zhuǎn)錄領(lǐng)域長(zhǎng)期未能解決的難題.

徐彥輝課題組經(jīng)過(guò)多年努力，利用冷凍電鏡方法，解析了PIC組裝過(guò)程中所有關(guān)鍵組裝步驟和狀態(tài)的復(fù)合物結(jié)構(gòu).為研究PIC對(duì)各種不同類(lèi)型啟動(dòng)子的識(shí)別，研究人員在涵蓋所有啟動(dòng)子類(lèi)型(3種)的8個(gè)啟動(dòng)子及5個(gè)突變啟動(dòng)子上，組裝PIC復(fù)合物并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析.25個(gè)復(fù)合物結(jié)構(gòu)提供了PIC組裝的不同階段，不同功能狀態(tài)，不同啟動(dòng)子類(lèi)型的全覆蓋結(jié)構(gòu)信息.研究分析發(fā)現(xiàn)： TFIID含有多個(gè)DNA結(jié)合區(qū)，具有較高的序列包容度，可識(shí)別各種不同類(lèi)型的基因啟動(dòng)子；針對(duì)不同類(lèi)型啟動(dòng)子，PIC通過(guò)兩種方式將啟動(dòng)子推動(dòng)至聚合酶催化中心上方準(zhǔn)備轉(zhuǎn)錄，提出“雙路徑啟動(dòng)子推動(dòng)”模型(two-track promoter deposition)；處于Drive構(gòu)象的完整PIC，為轉(zhuǎn)錄起始做好了兩方面準(zhǔn)備.這一發(fā)現(xiàn)還從分子層面顛覆了對(duì)TBP只結(jié)合TATA box的傳統(tǒng)看法，很好解釋了PIC組裝和基因轉(zhuǎn)錄為何可發(fā)生在幾乎所有基因的啟動(dòng)子上.

該項(xiàng)工作是近年來(lái)轉(zhuǎn)錄領(lǐng)域的重要突破，在分子水平上展示了高度動(dòng)態(tài)的轉(zhuǎn)錄起始過(guò)程，為后續(xù)研究基因表達(dá)調(diào)控奠定了理論基礎(chǔ).

論文鏈接： https:∥science.sciencemag.org/content/early/2021/03/31/science.aba8490

來(lái)源： 生物醫(yī)學(xué)研究院 發(fā)布時(shí)間： 2021-04-02