Cell紀念結晶技術100周年：染色質與轉錄的故事

日期：2014-11-26 08:49:23

大約100年前，在英格蘭北部，一對父子進行了一項實驗，和科學史上的很多實驗一樣，盡管這對父子的初衷并非如此，但這項實驗卻徹底改變了科學家們研究分子的方式。隨后，不斷有科學家們對這一方法進行修改，精煉，使其日臻完善。但不管面貌如何改變，其始終是科學研究中最重要的工具之一，她就是X射線晶體技術。

2014年是國際晶體學年，本期（11月20日）Cell雜志為此特別推出了“結構生物學”專題，以三位學者的綜述為主，介紹了這一百年來X射線晶體學技術的發展，以及結構生物學的歷史和現狀。

馬普研究院著名結構生物學家，RNA聚合酶研究泰斗級專家Patrick Cramer以“A Tale of Chromatin and Transcription in 100 Structures”為題，講述了100個晶體結構如何影響染色質和轉錄領域的研究的故事。

轉錄因子TFIID復合物核心結構

人細胞中RNA聚合酶Ⅱ的基因轉錄的起始是由許多蛋白質調控的。TFIID是第一個結合到基因啟動子的通用轉錄因子。TFIID作為轉錄激活輔助因子與轉錄激活因子相互作用，并識別表觀遺傳標記，引發起始復合物前提的形成。TFIID是個分力量為百萬道爾頓的多聚蛋白復合物，由TATA-box結合蛋白即TBP以及13個TBP結合因子即TAFs組成。

盡管TFIID具有至關重要的作用，然而TFIID的詳細結構和組裝機制尚不清楚。組蛋白折疊結構域普遍存在于TAFS中;人們也發現組蛋白四聚體和八聚體結構存在于TFIID 中;近來人們也揭示了果蠅TFIID功能核心亞結構組成的子集：TAFS(TAF4，TAF5，TAF6，TAF9和TAF12)。目前，這些核心亞基被認為是全息TFIID中一式兩份，相反，TBP和其他TAFS，則是一個單一的副本，描述了TFIID組裝過程中從對稱與不對稱的過渡。

此項研究，利用低溫電子顯微鏡，向人們展示了在11.6 Å分辨率下人類TFIID 的結構。此結構揭示了2倍體對稱交錯結構，具有明顯的突起，包含之前發現的TAFS保守結構特征，包括組氨酸結構。

進一步的研究證實，TAF8-TAF10復合物的結合破壞了核心TFIID原有的對稱結構，由此，研究小組提出產生的非對稱結構作為功能支架，通過吸收余下一份TAFS和TBP，并使全息TFIID 組裝成核。

RNA聚合酶II的結構

RNA聚合酶II(Pol II)是三大RNA聚合酶之一，存在于基因轉錄裝置的核心位置，編碼蛋白質基因的轉錄受到RNA聚合酶的調控。RNA聚合酶解開DNA雙鏈，沿著一條鏈移動。在移動過程中，它們一邊“解讀”DNA鏈上的核苷，一邊合成一條相應的RNA鏈。由Pol II組成的RNA是信使RNA(mRNA)，它們將合成蛋白質的指令傳給核糖體。

雖然這一酶的結構已經被測定，但是其中的一些關鍵問題還沒有搞清楚，而且其中一些轉錄因子的動力學進程，科學家們了解得也并不多。

科學家完成的這一分子動畫捕捉了RNA聚合酶II起始和延伸過程中的一些關鍵因素，為了完成這一動畫，研究人員將起始-延伸轉化過程中的結構快照，與延伸過程中的快照結合在一起，包括核苷酸添加，易位，停頓，校對，回查，捕捉，重新激活和抑制等。

這一動畫揭示了轉錄過程中的一些開放性問題，也為全球分子生物學等研究領域的教學提供了一個有效的工具。

關于RNA聚合酶的研究其實意義頗為重要，也吸引了不少科學家深入探索，比如近期來自馬普研究院的研究人員就針對其中的一種作用成分：P-TEFb酶展開了研究。

他們追蹤了這種酶P-TEFb轉錄因子的功能。P-TEFb給RNA聚合酶II裝配上磷酸信息。這些信息被可逆性地附加到C-末端結構域（CTD），發揮重要的作用確保生成一個拷貝的堿基序列。研究人員根據附著這些磷酸殘基的P-TEFb解析了這種模式以及存在的標記物影響該酶活性的機制。

染色質重塑復合物的特點

染色體是由長鏈DNA通過周圍蛋白節點：核小體包裝壓縮而成的，當DNA被壓縮時，這一區域的基因就被關閉了。一些CRC——去組裝CRC（disassembly CRCs）在某些細胞進程中能作為馬達，解開DNA鏈區域，使得這些基因激活，還有另一種類型稱為組裝CRC（assembly CRCs），則作用相反，在這一細胞進程完成后，能將DNA鏈重新包裝起來。這種解開-再包裝的重復循環過程貫穿了細胞整個生命周期。

這項研究聚焦于組裝CRC。CRC馬達的側面總是有一個‘開關’能抑制其活性，除非遇到一個可以定位在核小體上的標記序列。這個標記翻轉了這個抑制開關，從而CRC能令DNA鏈沿著核小體圍繞彎曲，促進基因表達，沉默基因，這一研究結果改變未來研究的方向，即要想了解CRC如何被調控的，不是要去找CRC馬達本身，而是要去找馬達兩側的一種‘開關’。”

這項研究還指出了CRC的測量功能：檢測一個核小體與另外一個核小體之間的正確距離，這個功能能告訴馬達在合適的時間上關閉，這對于基因沉默來說十分重要。