Nature:重大突破!史上最详细人DNA转录前起始复合体结构出炉!

在一项新的研究中,来自美国佐治亚州立大学、加州大学伯克利分校和西北大学等多家机构的研究人员将低温电镜技术(Cryo-EM)和最新的计算建模方法结合在一起,史无前例地详细解析出近原子分辨率下的人转录前起始复合体(transcription pre-initiation complex,PIC)的分子结构。

       作为所有生命必不可少的一个过程,基因表达分两步:DNA转录为RNA,然后RNA翻译为蛋白。


       在一项新的研究中,来自美国佐治亚州立大学、加州大学伯克利分校和西北大学等多家机构的研究人员将低温电镜技术(Cryo-EM)和最新的计算建模方法结合在一起,史无前例地详细解析出近原子分辨率下的人转录前起始复合体(transcription pre-initiation complex,PIC)的分子结构。人PIC是一个蛋白组装体,将RNA聚合酶安排在合适的位置从而确保能够启动转录。

       这些新的结构有助深入认识在转录起始整个过程---包括识别基因转录开始启动的DNA启动子区域、打开这个启动子区域和起始转录---中人PIC发生的一系列构象变化。相关研究结果于2016年5月11日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Near-atomic resolution visualization of human transcription promoter opening”。

       基因是由储存着遗传信息的DNA组成的。为了使用基因中编码的遗传信息,RNA聚合酶必需将基因拷贝为信使RNA(mRNA)。这个拷贝过程就被称作为转录。

       在这个紧密控制的转录过程开始时,RNA聚合酶和一般转录因子(general transcription factor)在DNA的特定位点上组装在一起而形成PIC。这种PIC组装是打开启动子的双链DNA螺旋结构从而将DNA放入在RNA聚合酶活性位点上和开始转录过程所必需的。所产生的mRNA转录本然后就被用来制造蛋白。

       论文作者、佐治亚州立大学化学副教授Ivaylo Ivanov说,“这篇论文提供这些参与转录过程早期阶段的复合体的详细结构信息。我们研究了为了打开转录泡(transcription bubble)和开始转录过程,RNA聚合酶和一般转录因子所采取的每一个步骤。这是一个非常重要的系统,在此之前不能够通过晶体结晶或任何其他结构方法进行分析。这是人PIC复合体的首个近原子分辨率的Cryo-EM结构重建图。”

       化学交联和晶体结晶已提供来自酵母等真核生物的部分RNA聚合酶复合体的结构信息,但是这些技术并不能够解析出完整的PIC复合体的结构。PIC导致DNA解旋的事件和过程,以及转录泡形成---在转录期间当一部分双链DNA片段解旋时形成的一个分子结构,它是由RNA聚合酶核心酶、DNA模板链和转录形成的RNA新链三者结合形成的转录复合物---都未得到足够地了解。

       为了获得人PIC复合体的详细结构,研究人员将Cryo-EM和依赖于超算技术的整合分子计算建模技术结合在一起,捕获三种不同功能状态下的人PIC结构:1)与启动子区域的DNA双螺旋接触时的关闭状态;2)与转录泡接触时的打开状态,3)准备执行mRNA合成的起始转录状态。他们也能够可视化观察人PIC复合体中多种之前并未确定的组分。这些发现揭示出转录因子TFIIH的完整亚基组装结构,其中TFIIH在打开启动子区域中发挥着至关重要的作用。TFIIH是PIC复合体中结构最难解析的组分之一。

       通过对PIC的关闭状态、打开状态和起始转录状态进行比较,研究人员对DNA接触、启动子解旋和转录泡稳定化产生新的深刻认识。

       Ivanov说,“若没有电子显微技术取得的进展,若没有整合计算建模技术近期取得的进展,这是不可能实现的。获得近原子分辨率的电子显微结构仅仅在将电子显微技术与新的分析图像的强大计算算法结合在一起时才有可能实现。”
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