第六篇Science，復旦上醫團隊系統描繪轉錄起始連續動態全過程

　　2023年12月22日，復旦上醫徐彥輝團隊在《科學》（Science）雜志上在線發表題為“Structural visualization of transcription initiation in action”的研究長文（Research Article）。該項研究首次用結構重現出了轉錄從頭起始的16個連續動態全過程，揭示了通用轉錄因子(GTFs)和轉錄泡協同RNA聚合酶Pol II調控轉錄起始向轉錄延伸轉變的分子機制。

一部58萬張照片的分子定格電影

　　生命的遺傳物質是DNA，而DNA可以通過自我復制，伴隨著細胞的分裂傳遞遺傳信息。DNA可以通過轉錄形成RNA，RNA通過翻譯的過程合成蛋白質。

　　轉錄是基因表達調控的核心，基因表達調控在人的發育、疾病發生過程中起到重要作用。真核細胞的基因轉錄需要經歷起始，延伸，終止等多個階段。多細胞生物為了滿足在同一套基因組的基礎上實現差異性的基因表達，需要經過非常復雜且精細的基因表達調控過程。基因表達調控主要集中發生在轉錄的起始階段，細胞中基因的轉錄默認是低活性狀態，需要經歷一系列復雜的轉錄起始過程，才能起始基因表達。轉錄起始過程涉及十余個復合物上百個蛋白的巨大轉變，過去幾十年來，眾多的實驗室利用生物化學、單分子生物物理以及結構生物學等方法開展了大量探索性的工作，但對其發生過程和分子機制的理解還不夠深入。

轉錄起始調控示意圖。黃色數字標注是徐彥輝團隊過去幾年來在轉錄起始方向取得的代表性成果。

　　在此項研究中，徐彥輝團隊解析了一個轉錄過程中重要的動態事件：從轉錄起始向轉錄延伸的過渡，這一事件也被稱為啟動子逃逸。啟動子逃逸是轉錄從起始到延伸的關鍵轉折步驟，在這一過程中RNA聚合酶II的構象需要發生變化，在生成RNA產物的同時解離通用轉錄因子。

　　長期以來，這一過程一直蒙著神秘面紗。中國科學院生物物理研究所研究員朱冰在專家點評中解讀，“這（揭示啟動子逃逸過程）是領域中一個長期未能解決的問題，因為這是一個快速的動態事件，RNA聚合酶II延伸的速度一般被認為是每分鐘幾千個堿基，而啟動子逃逸過程涉及的大約只有最初的20個左右的堿基的合成，也就是說需要在幾秒鐘內完成一系列的動態事件，這對于結構生物學研究是一個極大的挑戰。”

　　在研究過程中，徐彥輝團隊致力于將這一瞬間定格為永恒。據介紹，研究人員設計了一系列的轉錄模板，可以控制RNA聚合酶II停在轉錄最初17個堿基時的任意一個堿基位置。這一設計好比讓連貫的場景變成一楨楨定格畫面，隨后，研究人員逐步捕捉每一步的畫面，連貫而成一部動態“電影”。這部“電影”也首次描繪出了連續的轉錄起始動態全過程，揭示完整轉錄起始過程及其分子機制。

　　由于復合物的組成和構象不均一，為了獲得高分辨率結構數據，研究人員利用復旦上醫平臺300 kV 冷凍電鏡采集了約110天，共58萬張照片數據，獲得了分別暫停在轉錄起始位點下游2-17位核苷酸，核心分辨率為2.7-3.3 ?，共16個轉錄復合物（TC2-TC17）的結構。通過這16個連續的結構，結合早期該團隊解析的轉錄前起始復合物PIC結構，研究團隊得以描繪這一動態全過程。

體外重建轉錄復合物體系。（A）16個（分別暫停在轉錄起始位點下游2-17位核苷酸的位置）的G-less DNA模板示意圖。（B）體外轉錄活性實驗。（C）轉錄復合物體外組裝示意圖。

解析的16個轉錄復合物結構

　　通過動態全過程的描繪，研究團隊首次觀測到啟動子逃逸的“關鍵一刻”正是當RNA鏈由9個核苷酸（nucleotide，nt）增加到10 nt時，NTP水解驅動RNA-DNA移位并推動所累積的模板單鏈脹破由TFIIB和Pol II形成的模板鏈通道，導致TFIIB連帶其他GTF從Pol II上解離，轉錄泡“崩塌”（bubble collapse），轉錄復合物由ITC轉變成EEC狀態，Pol II從啟動子逃逸（promoter escape）。

　　生命設計這一分子層面的“過河拆橋”，其邏輯在于：為了避免異常的基因表達，真核基因默認是沉默狀態，Pol II本身無法打開啟動起始轉錄，為了起始轉錄，需要GTF幫助Pol II結合啟動子開始合成RNA，完成起始后當RNA-Pol II-DNA足夠穩定， Pol II要進入延伸階段離開啟動子區域，需要擺脫GTF和啟動子的束縛。

　　“用最復雜的完整的復合物去開展研究”

　　過去幾十年來，關于轉錄起始研究達數百篇，但由于實驗設計和實驗材料的不一致，不同的實驗結論之間相互矛盾，許多結論長期以來未得到統一。

　　本研究將眾多看似矛盾的結論作了統一，回答了起始過程中眾多問題，揭示了轉錄起始調控的機制，為理解基因表達調控奠定了結構基礎。該研究也開創了利用生化和結構生物學重構生物大分子機器動態過程，揭示其工作機制的新路徑，為眾多復雜過程的研究提供了新思路。

　　此前，徐彥輝團隊連續在Science雜志發表5篇研究論文，揭示多個轉錄起始關鍵過程的分子機制，包括揭示人源BAF復合物的染色質重塑機制（點此閱讀）、轉錄起始復合物識別基因啟動子及其動態裝配機制（點此閱讀）、中介體促進RNA聚合酶磷酸化和轉錄激活機制（點此閱讀）、+1核小體調控轉錄起始的分子機制（點此閱讀）以及發現并鑒定新型轉錄調控復合物INTAC（點此閱讀）。上述工作較為系統地揭示了轉錄起始各個階段關鍵點的復合物狀態，推動了對轉錄機制的深入理解。

　　“當我們想進入到這個領域的時候，我們也可以走簡單的路，但是我們希望從根本上去回答這個問題，用最復雜的完整的復合物去開展研究。”徐彥輝表示。“我們都是站在幾十年生化和結構研究基礎上，才能得到現在的一些發現。當然，給大家傳遞的信息是我們對于生命的分子事件的理解還遠遠沒有達到真實的程度，還有很多未知的東西需要我們去探索。”未來，團隊將進一步探索更多轉錄過程的圖景。

　　復旦大學生命科學學院青年研究員陳曦子、復旦大學生物醫學研究院2019級直博生劉維達、青年研究員王茜敏以及粵港澳大灣區精準醫學研究院博士后王鑫鑫為本文共同第一作者，復旦大學附屬腫瘤醫院研究員、生物醫學研究院兼職研究員徐彥輝為通訊作者。

　　原文鏈接：https://doi.org/10.1126/science.adi5120