突破！徐彥輝團隊《Science》長文揭示轉(zhuǎn)錄起始復合物識別啟動子及動態(tài)組裝的分子機制
?以人類為代表的高等生物，進化出復雜的基因表達調(diào)控機制，利用同一套基因組遺傳信息，分化出數(shù)百種不同的細胞類型，以適應對復雜生長發(fā)育過程的需要。轉(zhuǎn)錄起始過程發(fā)生在幾萬種不同基因的高度多樣化的啟動子區(qū)。圍繞這些啟動子區(qū)，人體細胞產(chǎn)生極其復雜和精細的調(diào)控，如染色質(zhì)重塑復合物BAF/PBAF剔除核小體暴露出啟動子DNA使轉(zhuǎn)錄發(fā)生，組蛋白修飾和DNA甲基化修飾動態(tài)調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子和轉(zhuǎn)錄共激活因子招募，3D基因組背景下的增強子和啟動子環(huán)化，及近期備受關注的液液相分離等。上述過程的綜合結(jié)果都是導致抑制或不同程度的促進轉(zhuǎn)錄起始復合物在啟動子區(qū)的組裝及后續(xù)的轉(zhuǎn)錄激活，實現(xiàn)基因差異性表達，決定細胞的表型和發(fā)育過程。以轉(zhuǎn)錄為核心的異常造成一半以上的人類腫瘤發(fā)生。因此，圍繞啟動子區(qū)轉(zhuǎn)錄起始過程的調(diào)控，是細胞體系內(nèi)最為核心的生命過程之一，對其研究一直是生命科學的重大前沿課題。
?為實現(xiàn)復雜的基因表達調(diào)控，人體細胞中進化出以RNA聚合酶II（Pol II，以下簡稱聚合酶）為核心的轉(zhuǎn)錄前起始復合物（preinitiation complex，PIC），識別幾乎所有編碼基因和大部分非編碼基因的啟動子區(qū)，響應各種轉(zhuǎn)錄調(diào)控信號，起始基因轉(zhuǎn)錄。數(shù)十年的研究提出，在PIC復合物的逐步組裝過程中，轉(zhuǎn)錄因子TFIID首先識別基因的啟動子，招募聚合酶Pol II和通用轉(zhuǎn)錄因子TFIIA, TFIIB, TFIIF組裝形成核心PIC（core PIC,cPIC），進一步招募TFIIE形成中間態(tài)PIC（intermediate PIC,mPIC），招募TFIIH形成完整最終態(tài)PIC（holo PIC,hPIC）。完整PIC包含50余個蛋白質(zhì)，分子量達2.6 MDa，具有高度的復雜性和動態(tài)性，對其進行結(jié)構(gòu)解析一直是領域內(nèi)的難題。其中TFIID復合物是最關鍵的因子，由TATA框結(jié)合蛋白（TATA box-binding protein,TBP）和13個TBP-相關蛋白（TBP-associated factor, TAF1-13）所組成，分子量達到1.3 MDa，識別啟動子并參與整個PIC組裝過程。
?目前的教科書中對轉(zhuǎn)錄起始模型是TBP特異性識別并彎曲含有TATA box的啟動子（TATA box promoter），招募聚合酶并組裝PIC啟動轉(zhuǎn)錄。然而，有超過85%的人類基因啟動子不含有TATA box，稱為TATA-less啟動子。并且?guī)缀跛械幕蜣D(zhuǎn)錄過程都需要完整TFIID復合物，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復合物結(jié)構(gòu)研究，包含TFIID的完整PIC是如何在不同類型啟動子上進行組裝的，一直沒有得到闡明。對于超過85%以上基因，轉(zhuǎn)錄起始是如何發(fā)生的，是轉(zhuǎn)錄領域長期未能解決的難題。
?2021年4月1日，我院徐彥輝課題組在Science雜志上在線發(fā)表了研究長文（Research Article）“Structural insights into preinitiation complexassembly on core promoters”（《結(jié)構(gòu)研究揭示轉(zhuǎn)錄前起始復合物識別啟動子及動態(tài)組裝機制》）。該項研究首次報道了包含TFIID的完整PIC結(jié)構(gòu)，揭示了PIC如何識別不同類型啟動子并完成多步組裝的完整動態(tài)過程。
?徐彥輝課題組經(jīng)過多年努力，利用冷凍電鏡方法，解析了PIC組裝過程中所有關鍵組裝步驟和狀態(tài)的復合物結(jié)構(gòu)。按組裝先后順序包括：單體狀態(tài)TFIID（14種共20個蛋白，1.3MDa）兩種構(gòu)象，結(jié)合啟動子的TFIID兩種構(gòu)象，核心cPIC復合物（38個蛋白多肽鏈，2.1 MDa）兩種構(gòu)象，中間態(tài)mPIC（40個蛋白多肽鏈，2.2 MDa）兩種構(gòu)象，完整狀態(tài)hPIC（50個蛋白多肽鏈，2.6 MDa）兩種構(gòu)象。為研究PIC對各種不同類型啟動子的識別，研究人員在涵蓋所有啟動子類型（三種）的8個啟動子及5個突變啟動子上，組裝PIC復合物并進行了結(jié)構(gòu)分析。上述共25個復合物結(jié)構(gòu)提供了PIC組裝的不同階段，不同功能狀態(tài)，不同啟動子類型的全覆蓋結(jié)構(gòu)信息。研究分析發(fā)現(xiàn)：
（1）TFIID含有多個DNA結(jié)合區(qū)，具有較高的序列包容度，可識別各種不同類型的基因啟動子。TFIID招募聚合酶Pol II和通用轉(zhuǎn)錄因子逐步組裝成完整PIC復合物。令人意外的是，盡管單獨TBP僅彎折TATA box啟動子DNA，但是在PIC復合物中，TBP以相同的方式彎折TATA box（存在于~15%基因）和TATA-less（存在于~85%基因）啟動子，該過程依賴于TFIID的存在，因此在以往基于TBP的PIC研究中，無法觀察到。這一發(fā)現(xiàn)顛覆了對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子上。
（2）針對不同類型啟動子，PIC通過兩種方式將啟動子推動至聚合酶催化中心上方準備轉(zhuǎn)錄，提出“雙路徑啟動子推動”模型（two-track promoter deposition）。第一種為“三步到位”，既PIC組裝過程產(chǎn)生Park，Neutral，Drive三種啟動子構(gòu)象逐步到位。第二種為“直接到位”，既在組裝早期就形成Drive構(gòu)象啟動子并一直維持到組裝完成?！叭降轿弧狈绞降墓δ苡写M一步深入研究，可能的一個解釋是作為激活基因表達的檢查點，既所有因子都滿足條件下才到達Drive位置，以避免非必要情況下的轉(zhuǎn)錄發(fā)生。
（3）處于Drive構(gòu)象的完整PIC，為轉(zhuǎn)錄起始做好了兩方面準備。CDK7激酶磷酸化聚合酶的C端結(jié)構(gòu)域（CTD），是轉(zhuǎn)錄起始的關鍵調(diào)控步驟。啟動子到位后可通過PIC中解旋酶使模板鏈DNA進入聚合酶催化中心開始轉(zhuǎn)錄。TFIID促進兩種酶活性亞基在PIC中的正確定位。
圖注：PIC動態(tài)組裝的模式圖。TFIID識別啟動子（內(nèi)圈）以及PIC對于不同啟動子類型的兩種組裝方式（外圈）。P、N、D分別代表Park、Neutral和Drive三種啟動子構(gòu)象。右圖：三種復合物狀態(tài)中啟動子構(gòu)象的比對（紅色：cPIC，黃色：mPIC, 綠色：hPIC）。下圖：cPIC組裝過程中在啟動子上PIC模塊進行匹配（matched modular separation）和重定位（repositioned modular separation）過程模式圖。模式圖中的結(jié)構(gòu)均來源于本研究工作。DBE：TFIID結(jié)合模塊（TFIID-binding element）
?該項工作是近年來轉(zhuǎn)錄領域的重要突破，在分子水平上展示了高度動態(tài)的轉(zhuǎn)錄起始過程，為后續(xù)研究基因表達調(diào)控奠定了理論基礎。
?據(jù)悉，復旦大學附屬腫瘤醫(yī)院助理研究員陳曦子（復旦大學生物醫(yī)學研究院2014級博士生）、復旦大學生物醫(yī)學研究院2017級博士生戚軼倫、2016級博士生武子涵、2020級博士生王鑫鑫、2016級博士生李佳蓓、2017級博士生趙丹、復旦大學附屬腫瘤醫(yī)院副研究員侯海峰為本文共同第一作者，徐彥輝為通訊作者。
原文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/early/2021/03/31/science.aba8490
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