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上海研究团队解析转录起始连续动态全过程

科技日报记者 王春

12月22日,上海复旦大学上海医学院(以下简称复旦上医)徐彦辉团队,研究首次用结构重现出了转录从头起始的团队16个连续动态全过程,揭示了通用转录因子(GTFs)和转录泡协同RNA聚合酶Pol II调控转录起始向转录延伸转变的解析分子机制。该研究在线发表于最新一期《科学》。转录

研究成果刊发。起始全过复旦大学供图

转录是连续基因表达调控的核心,真核细胞的动态基因转录需要经历起始、延伸、上海终止等多个阶段,研究其中转录起始过程涉及十余个复合物上百个蛋白的团队巨大转变。几十年来,解析众多的转录实验室利用生物化学、单分子生物物理以及结构生物学等方法开展了大量探索性的起始全过工作,但对其发生过程和分子机制的连续理解还不够深入。

启动子逃逸是转录从起始到延伸的关键转折步骤。为解析此过程的动态变化,徐彦辉团队设计了一系列转录模板,可以控制RNA聚合酶II停在转录最初17个碱基时的任意碱基位置。研究人员将此设计类比为定格动画,通过逐步捕捉每一步画面,连贯而成一部动态电影——连续转录起始动态全过程,进而揭示完整转录起始过程及其分子机制。

体外重建转录复合物体系。复旦大学供图

研究人员利用复旦上医平台300kV冷冻电镜采集了约110天,共58万张照片数据,获得了分别暂停在转录起始位点下游2-17位核苷酸、核心分辨率为2.7-3.3埃、共16个转录复合物(TC2-TC17)的结构。通过这16个连续的结构,结合早期该团队解析的转录前起始复合物PIC结构,研究团队得以描绘这一动态全过程。

课题组结合其早期解析的转录前起始复合物PIC结构,首次观测到启动子逃逸的“关键一刻”:当RNA链长度由9个核苷酸增加到10个时,转录复合物由ITC过渡为EEC状态,NTP水解驱动RNA-DNA发生移位并推动积累的模板单链胀破由TFIIB和Pol II形成的几乎封闭的通道,进而导致TFIIB连带其他GTF从Pol II上解离、转录泡“崩塌”、Pol II从启动子逃逸。

这项研究回答了起始过程中众多问题,揭示了转录起始调控的机制,为理解基因表达调控奠定了结构基础。“我们希望从根本上去回答这个问题,用最复杂的完整的复合物去开展研究。”徐彦辉表示。“我们都是站在几十年生化和结构研究基础上,才能得到现在的一些发现。当然,给大家传递的信息是我们对于生命的分子事件的理解还远远没有达到真实的程度,还有很多未知的东西需要我们去探索。”未来,研究团队将进一步探索更多转录过程的图景。

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