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复旦大学徐彦辉等团队接连发表5篇Science:转录起始前复合物/中介体的结构被揭开面纱

枫叶 iNature 2023-01-10

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RNA聚合酶II介导的真核转录始于核心启动子上的转录起始前复合物(PIC)的组装。+1核小体位于转录起始位点(TSS)下游约40个碱基对处,通常被称为转录屏障。但目前尚不清楚+1核小体是否以及如何直接接触和调节大多数活性基因的转录启动机制。

2022年10月6日,复旦大学徐彦辉团队在Science在线发表题为“Structures of +1 nucleosome–bound PIC-Mediator complex”的研究论文,+1核小体结合PIC-中介体(Mediator)结构表明PIC-中介体更倾向于与位于TSS下游40个碱基对的T40N核小体结合,并与T50N核小体接触,而不与T70N核小体接触。

核小体通过结合TFIIH亚基p52和中介体亚基MED19和MED26,促进PIC-中介体在启动子上的组织,并可能促进转录启动。PIC-中介体表现出多种核小体结合模式,支持+1核小体在PIC-中介体装配协调中的结构作用。总之,该研究揭示了PIC-中介体在染色质上组织的分子机制,并强调了+1核小体在调节转录启动中的重要性。

2021年5月7日,复旦大学徐彦辉团队在Science 在线发表题为“Structures of the human Mediator and Mediator-bound preinitiation complex”的研究论文,该研究确定了人类中介体的结构在扩展的尾巴模块(在近原子分辨率下)和弯曲的尾巴构象以及基于TFIID的PIC中介体(76个多肽,〜4.1 MDa)在四个不同的构象中的结构。 PIC-中介体组件诱导中介体协调一致的重组(Head-tilting和Middle-down),并创建Head-Middle三明治形状,该三明治形状可稳定两个CTD片段并将CTD带入CDK7进行磷酸化,提示CTD门控机制有利于磷酸化。基于TFIID的PIC体系结构可调节中介的组织和TFIIH的稳定性,从而突出了TFIID在编排PIC-中介组件中的重要性(点击阅读)。2021年4月2日,复旦大学徐彦辉团队在Science 在线发表题为“Structural insights into preinitiation complex assembly on core promoters”的研究论文,该研究利用冷冻电镜方法,解析了PIC组装过程中所有关键组装步骤和状态的复合物结构。研究分析发现:TFIID含有多个DNA结合区,具有较高的序列包容度,可识别各种不同类型的基因启动子;针对不同类型启动子,PIC通过两种方式将启动子推动至聚合酶催化中心上方准备转录,提出“双路径启动子推动”模型(two-track promoter deposition);处于Drive构象的完整PIC,为转录起始做好了两方面准备。这一发现还从分子层面颠覆了对TBP只结合TATA box的传统看法,很好解释了PIC组装和基因转录为何可发生在几乎所有基因的启动子上(点击阅读)。

2020年11月27日,复旦大学徐彦辉及陈飞共同通讯在Science 在线发表题为“Identification of Integrator-PP2A complex (INTAC), an RNA polymerase II phosphatase”的研究论文,该研究确定了一个包含Integrator和蛋白质磷酸酶2A核心酶(PP2A-AC)的复合物,称为INTAC。 分辨率为3.5埃,结构揭示了九个人类Integrator亚基和PP2A-AC组装成由骨架和肩部模块形成的十字形中央支架,磷酸酶和核酸内切酶模块位于相对侧。作为非规范的PP2A全酶,INTAC复合物可将RNA聚合酶II的羧基末端重复域在Ser2,-5和-7处去磷酸化,从而调节转录。该研究将PP2A的功能扩展到转录调控,并揭示了双重酶活性-RNA裂解和RNA聚合酶II的去磷酸化-在结构和功能上如何整合到INTAC复合物中(点击阅读)。

2020年1月30日,复旦大学徐彦辉团队在Science 在线发表题为“Structure of nucleosome-bound human BAF complex”的研究论文,该研究获得了3.7Å分辨率的核小体结合的人BAF的冷冻EM结构,揭示了核小体被碱基和ATPase模块夹在中间,后者被肌动相关蛋白(ARP)模块桥接。该研究为人类BAF复合物的亚基组织和核小体识别提供了结构上的见识。

真核细胞中转录活性基因的核心启动子的特征是核小体缺失区,两侧有两个核小体,通常称为-1(最后一个上游)和+1(第一个下游)核小体。裸核心启动子长度约100碱基对(bp),覆盖转录起始位点(TSS),并允许转录机器进入启动转录。转录起始始于RNA聚合酶II (Pol II)和一般转录因子(包括TFIID、TFIIA、TFIIB、TFIIF、TFIIE和TFIIH)组成的起始前复合体(PIC)的组装。
TFIID是转录起始所必需的,其功能不能被TATA box-binding protein (TBP)所取代。TFIIH有两个酶亚基,B型色素干皮病DNA易位酶(XPB)用于启动子打开,细胞周期蛋白依赖性激酶7 (CDK7)用于Pol II C末端域的磷酸化(CTD)。作为一种关键的转录辅激活因子,多亚基中介体(Mediator)连接了转录因子和Pol II并激活了转录。
核小体结合PIC-中介体复合物的结构(图源自Science )
真核生物的转录是由核心启动子周围的染色质结构调节的,这是由DNA序列、转录因子和染色质重塑因子等组合因素建立的。+1核小体被认为是Pol II介导的早期延伸的屏障和转录调控因子,包含特征表观遗传标记,包括H2A.Z和H3.3组蛋白变体,组蛋白乙酰化及H3K4三甲基化(H3K4me3)。例如,通过结合H3K4me3和组蛋白乙酰化,可以增强TFIID对染色质的招募。
+1核小体位于TSS下游约40 bp处,PIC也可能调节+1核小体的动态,提示PIC与+1核小体之间存在位置依赖的功能连接。最近报道了裸启动子上PIC和PIC- 中介体的结构。核小体结合的转录延伸复合体的结构揭示了Pol II在延伸过程中如何穿过核小体。尽管有这些研究,但目前尚不清楚+1核小体是否以及如何直接接触和调节大多数活性基因的转录启动机制。
PIC-中介体与T40N核小体的结合(图源自Science
+1核小体结合PIC-中介体结构表明PIC-中间体更倾向于与位于TSS下游40个碱基对的T40N核小体结合,并与T50N核小体接触,而不与T70N核小体接触。
核小体通过结合TFIIH亚基p52和中介体亚基MED19和MED26,促进PIC-中介体(Mediator)在启动子上的组织,并可能促进转录启动。PIC-中介体表现出多种核小体结合模式,支持+1核小体在PIC-中介体装配协调中的结构作用。总之,该研究揭示了PIC-中介体在染色质上组织的分子机制,并强调了+1核小体在调节转录启动中的重要性。

参考消息:
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn8131

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