科學(xué)通報|真核生物RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物的結(jié)構(gòu)研究進展

近日，復(fù)旦大學(xué)徐彥輝課題組在《科學(xué)通報》發(fā)表了題為“真核生物RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物的結(jié)構(gòu)研究進展”的評述文章，系統(tǒng)總結(jié)了Pol II的轉(zhuǎn)錄起始包括轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物的啟動子識別、分步組裝、轉(zhuǎn)錄起始、轉(zhuǎn)錄激活等多個過程的最新結(jié)構(gòu)研究進展，并對轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控研究領(lǐng)域當(dāng)前亟待解決的問題和未來的研究方向進行了總結(jié)和展望。

基因轉(zhuǎn)錄起始作為生命活動的核心調(diào)控環(huán)節(jié)，其精確的分子機制直接決定了細胞的命運抉擇、個體的發(fā)育進程以及眾多生理病理過程。近年來，隨著冷凍電鏡、單分子成像等技術(shù)的突破，真核生物RNA聚合酶II介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄起始過程逐漸揭開神秘面紗。

轉(zhuǎn)錄起始的核心：PIC的動態(tài)組裝

轉(zhuǎn)錄起始的核心在于轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物（PIC）的精準(zhǔn)組裝。Pol II需與6種通用轉(zhuǎn)錄因子（TFIIA、TFIIB等）協(xié)同作用，形成包含50余種蛋白的PIC復(fù)合體。傳統(tǒng)研究基于含TATA框的啟動子模型，發(fā)現(xiàn)TBP蛋白通過彎折DNA穩(wěn)定PIC，但人類基因組中85%的基因缺乏TATA框，這一模型無法解釋其轉(zhuǎn)錄機制。

2021年，研究人員通過冷凍電鏡技術(shù)解析了包含完整TFIID復(fù)合物的PIC結(jié)構(gòu)，揭示了PIC在非TATA框啟動子上的組裝規(guī)律：TFIID通過多模塊協(xié)同識別不同啟動子類型，動態(tài)招募Pol II及其他通用轉(zhuǎn)錄因子，形成功能完整的轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物。研究發(fā)現(xiàn)，無論啟動子類型如何，TBP始終通過彎折DNA將PIC錨定在啟動子上，以防止轉(zhuǎn)錄起始過程中的滑動偏移，這一機制為基因轉(zhuǎn)錄的正常起始奠定了基礎(chǔ)。

轉(zhuǎn)錄起始的開關(guān)：從組裝到逃逸

當(dāng)Pol II剛開始合成RNA時，會經(jīng)歷流產(chǎn)轉(zhuǎn)錄、啟動子逃逸等動態(tài)過程。初期，通用轉(zhuǎn)錄因子協(xié)同維持轉(zhuǎn)錄泡開放，確保RNA穩(wěn)定合成；當(dāng)RNA延伸至10 nt時，模板鏈脹破Pol II催化活性中心的模板鏈通道，使TFIIB等通用轉(zhuǎn)錄因子從啟動子上解離，轉(zhuǎn)錄泡崩塌，Pol II脫離啟動子進入延伸階段。通用轉(zhuǎn)錄因子與轉(zhuǎn)錄泡的協(xié)同作用不僅支持了Pol II起始轉(zhuǎn)錄, 同時也為Pol II成功起始轉(zhuǎn)錄后擺脫束縛順利進入穩(wěn)定快速高效的RNA延伸合成階段提供了支持。

中介體：連接信號與轉(zhuǎn)錄的分子橋梁

中介體（Mediator）作為轉(zhuǎn)錄共激活因子，是細胞內(nèi)高活躍基因表達的關(guān)鍵調(diào)控者。其核心模塊（頭部、中部、尾部）通過與Pol II羧基端結(jié)構(gòu)域（CTD）及通用轉(zhuǎn)錄因子相互作用，形成“磷酸化門控”機制：中介體穩(wěn)定Pol II CTD，促進CDK7激酶對其磷酸化，從而推動Pol II從起始向延伸階段轉(zhuǎn)換。

最新結(jié)構(gòu)研究顯示，中介體與 PIC 結(jié)合后，其構(gòu)象變化直接調(diào)控 TFIIH 激酶模塊的定位與活性，激活基因轉(zhuǎn)錄起始。此外，中介體還能通過增強子 - 啟動子染色質(zhì)環(huán)化，整合遠端調(diào)控信號，實現(xiàn)基因表達的時空特異性。

染色質(zhì)環(huán)境的精密調(diào)控

真核生物基因組以染色質(zhì)形式高度壓縮，其動態(tài)結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)錄起始具有決定性影響。位于轉(zhuǎn)錄起始位點下游的 +1 核小體（距離 TSS 約 40 bp ）曾被視作轉(zhuǎn)錄延伸的障礙，但最新研究發(fā)現(xiàn)其通過組蛋白變體（如 H2A.Z ）和表觀修飾（如 H3K4me3 、乙酰化）直接參與 PIC 的招募與激活。 研究發(fā)現(xiàn)， +1 核小體上的 H2A.Z 替換成經(jīng)典的 H2A 時，其與 PIC 的靜電相互作用減弱，導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄起始活性顯著下降。此外，染色質(zhì)重塑復(fù)合物通過調(diào)控核小體定位，決定核心啟動子區(qū)的可及性：當(dāng)核小體占據(jù)啟動子區(qū)域時，空間位阻抑制 PIC 組裝；而在活躍基因中，精確重定位的核小體反而成為 PIC 組裝的“腳手架”。 這種雙向調(diào)控機制的發(fā)現(xiàn)，為深入理解表觀遺傳修飾與轉(zhuǎn)錄機器之間的協(xié)同作用提供了重要的分子基礎(chǔ)。

轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控的研究前景

真核生物轉(zhuǎn)錄起始如同一場精密編排的分子交響樂，涉及數(shù)百種蛋白的時空協(xié)作。轉(zhuǎn)錄起始研究的高度復(fù)雜性源于其動態(tài)性（毫秒級時間尺度）與空間局限性（納米級位移）。在約 40bp 的范圍內(nèi)， Pol II 需協(xié)調(diào)上百種調(diào)控蛋白的相互作用，其動態(tài)調(diào)控機制尚不完全清楚。當(dāng)前研究面臨的主要挑戰(zhàn)包括：染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)與表觀遺傳修飾的協(xié)同調(diào)控機制、更接近生理狀態(tài)的實驗體系構(gòu)建，以及時空動態(tài)過程的精確觀測。雖然冷凍電鏡、單分子成像等技術(shù)已取得重要進展，但仍需整合多種方法（如冷凍電子斷層成像、活細胞超分辨成像、單細胞多組學(xué)等）來全面深入研究解析這一復(fù)雜的調(diào)控過程，深化對轉(zhuǎn)錄調(diào)控原理的理解，為相關(guān)疾病治療提供理論基礎(chǔ)。

復(fù)旦大學(xué)徐彥輝研究員為本文的通訊作者，復(fù)旦大學(xué)陳曦子青年研究員為本文的第一作者和共同通訊作者。該工作受到基金委和科技部的支持。

文章信息

陳曦子, 徐彥輝, 真核生物RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物的結(jié)構(gòu)研究進展, 科學(xué)通報, Volume 70, Issue 15, 2025, Pages 2333-2343

https://doi.org/10.1360/TB-2025-0011.

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