Nat Struct Mol Biol︱王海波等揭示+1核小体调控转录起始的分子机制

撰文︱王海波责编︱王思珍，方以一编辑︱杨彬薇

转录是基因表达的第一步，也是细胞内调控最严密的过程之一。在真核生物中，大部分基因通常处于转录抑制状态或者本底表达水平。基因的高水平表达依赖转录激活因子结合在特定DNA序列上招募转录共激活复合物，如中介体（Mediator），染色质修饰复合物和染色质重塑复合物 SWI/SNF等，使启动子区域处于开放状态，便于转录起始复合物（Pre-initiation complex，PIC）的组装[1]。前期的生物化学和结构生物学研究揭示了转录起始复合在启动子DNA上的组装机制：通用转录因子（General transcriptional factor，GTF）TFIID 的TBP亚基可以识别启动子区域的TATA box序列并使其弯曲成约90°，随后招募TFIIA和TFIIB形成上游复合物；TFIIB招募RNA聚合酶（Pol II）及其结合因子TFIIF到启动子区域；TFIIF随后招募TFIIE和TFIIH形成完整的转录起始复合物。TFIIH具有转位酶（translocase）的活性，可以水解ATP将下游的DNA拉进Pol II的催化中心，从而起始DNA的转录过程[2]。然而，在生物体内启动子区域并不是只有裸露DNA，而是两端各被一个核小体包围着：上游的被称为–1核小体，下游的被称为+1核小体[3]。在基因组里，+1核小体相对转录起始位点有着非常好的定位，并且含有和活跃转录相关的H3K4me3和乙酰化修饰以及组蛋白变体H2A.Z，这暗示着+1核小体可能参与了转录起始的调控。

2022年11月21日，德国马克思普朗克交叉学科研究所（MPInat）的王海波/Patrick Cramer研究组在Nature Structural & Molecular Biology杂志上发表了题为“Structures of transcription preinitiation complex engaged with the +1 nucleosome”的研究文章，解析了结合+1核小体的转录起始复合物的冷冻电镜结构，展示了转录起始复合物与+1核小体的紧密结合，表明+1核小体对转录起始复合物在染色质上的组装起着重要调控作用。

研究组利用经典生化的体外重构方法，成功组装了结合+1核小体的PIC，并通过体外转录实验发现+1核小体显著抑制了PIC的转录活性（图1）。

图1. PIC在含有+1核小体模版上的体外重构和转录

（图源：Wang, H. et al., Nat Struct Mol Biol, 2022）

为了进一步理解+1核小体抑制转录的分子机制，研究人员通过冷冻电镜结构解析了PIC在没有核糖核苷酸（NTP）（复合物A）和存在NTP（复合物B）两种状态下结合+1 核小体的结构（图2）。即使在有NTP存在的情况下，TFIIH只能转动+1核小体到一定的角度并解离部分被核小体缠绕的DNA，+1核小体通过结合 TFIIH的多个亚基，阻断了TFIIH进一步打开启动子DNA的作用，从而抑制了PIC的转录起始活性。

图2. 结合+1核小体的转录起始复合物结构

（图源：Wang, H. et al., Nat Struct Mol Biol, 2022）

研究者随后又研究了不同距离的+1核小体对PIC的影响。通过结构解析，研究者发现尽管将+1核小体后移了10 bp（复合物C），PIC依然通过TFIIH结合+1核小体，并且+1核小体和TFIIH形成相互作用的夹角与之前解析的复合物B类似（图3）。这说明了当不同定位的+1核小体随着TFIIH的转位酶活性被拉近到PIC时，最终都会停留在TFIIH的这一面。

图3. PIC结合两种不同定位核小体的结构

（图源：Wang, H. et al., Nat Struct Mol Biol, 2022）

在上述三个复合物结构中，启动子DNA都处于未转录的关闭状态，这提示着我们Pol II可能处于转录抑制状态。与之一致的，研究者发现Pol II的Rpb6亚基利用其富含酸性氨基酸的N末端占据了原本DNA模板该结合的位置，从而使Pol II处于转录的静息状态（图4）。Rpb6的这一区域在所有之前解析过的PIC结构中从未出现过。

图4. Rpb6的N末端占据了Pol II的催化中心

（图源：Wang, H. et al., Nat Struct Mol Biol, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，该项工作在分子水平上展示出了转录起始复合物与+1核小体的紧密结合，提示+1核小体及其表观遗传修饰可能在转录起始过程中发挥了重要的调控作用，为研究表观遗传修饰及组蛋白变体参与基因表达调控提供新的研究框架和结构基础。值得一提的是，复旦大学生物医学研究院的徐彦辉教授课题组在近期的Science杂志上发表了题为 “Structures of +1 nucleosome–bound PIC-Mediator complex ”的研究论文，解析了包含+1核小体的人源PIC-Mediator复合物结构[4]，部分结论和这项研究一致。不同的是，两篇文章对于+1核小体对转录起始的影响结论相反，可能是因为这两篇文章采用的体外转录体系不同。关于表观遗传修饰是如何影响转录起始的机制还需要进一步的研究。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41594-022-00865-w.

第一作者：王海波（左）；通讯作者：Patrick Cramer（右）

（照片提供自：德国马克斯普朗克研究所Patrick Cramer课题组）

第一作者简介（上下滑动阅读） 

王海波，浙江大学百人计划研究员，博士生导师，国家海外高层次人才青年项目获得者，实验室长期致力于表观遗传和转录调控的结构生物学研究，详情请参考实验室主页（https://person.zju.edu.cn/haibowang#0）。如有兴趣申请王海波实验室的博后、博士研究生、技术员或科研助理，请发Email至：[e-mail]。

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参考文献（上下滑动阅读）

1. Li, B., M. Carey, and J.L. Workman, The role of chromatin during transcription. Cell, 2007. 128(4): p. 707-19.

2. Osman, S. and P. Cramer, Structural Biology of RNA Polymerase II Transcription: 20 Years On. Annu Rev Cell Dev Biol, 2020. 36: p. 1-34.

3. Rhee, H.S. and B.F. Pugh, Genome-wide structure and organization of eukaryotic pre-initiation complexes. Nature, 2012. 483(7389): p. 295-301.

4. Chen, X., et al., Structures of +1 nucleosome-bound PIC-Mediator complex. Science, 2022. 378(6615): p. 62-68.

本文完