发生在基因启动子区的转录起始过程是基因表达调控的核心，决定着细胞的命运，影响众多生理病理过程。以RNA聚合酶II（Pol II）为核心的转录前起始复合物（preinitiation complex，PIC），识别几乎所有编码基因和大部分非编码基因的启动子区，响应各种转录调控信号，起始基因转录。在今年4月初，徐彦辉研究员团队在Science杂志报道了包含TFIID的转录前起始复合物结构，揭示了启动子识别及PIC装配的动态过程，该工作一经发表就得到了国内外广大同行的高度认可。

 

在上世纪90年代，科学家们发现一个功能非常重要的转录共激活因子，命名为中介体(Mediator)。Mediator由26个蛋白所组成，分子量1.5兆道尔顿（MDa）。由于人体中绝大多数活跃基因都需要Mediator才能够实现高表达。因此，对Mediator及PIC-Mediator复合物的研究是转录领域的核心。

 

2021年5月6日，Science杂志在线发表了徐彦辉研究员课题组的研究长文（Research Article）《人源中介体复合物及其结合转录前起始复合物的结构研究》（“Structures of the human Mediator and Mediator-bound preinitiation complex”），报道了首个结构与功能完整的PIC-Mediator复合物。结构分析揭示了PIC-Mediator的动态组装过程以及Mediator调控Pol II CTD磷酸化的分子机制。该项工作与徐彦辉研究员团队近期关于PIC的研究相呼应，较为全面地回答了转录起始过程的若干重要科学问题，是国内分子生物学领域的又一重大突破性成果。

 

该项工作首先报道了人源Mediator复合物近原子分辨率的冷冻电镜结构，首次把26个Mediator亚基进行完全定位和建模（图1），为后续结构功能研究奠定了坚实基础。研究发现Mediator的Tail模块可呈现延展构象（Extended）和弯折构象（Bent），两个构象的Mediator被分别命名为MED-E和MED-B。其中，MED-E与以往报道的结构相似，而MED-B构象是首次发现，表明Mediator本身的动态性。

 

图1: 本项研究基于TFIID的PIC-Mediator复合物，为完整转录起始复合物PIC-Mediator（左），中间为何源组近期发表的基于TBP的PIC-Mediator，右侧为徐彦辉组今年4月份发表的基于TFIID的PIC。

 

Pol II CTD的磷酸化使得PIC与Mediator解离，允许转录复合物离开启动子进入延伸阶段。该研究分析发现结合PIC时Mediator发生模块重排（modular reorganization），通过两个相连的分子杠杆（图2）产生头部内夹（Head-tilting）和中部下倾（Middle-down）的构象变化（视频）。头部的HB1亚模块和Knob亚模块夹住Pol II CTD的两段多肽链，形成“三明治”结构，稳定Pol II CTD并将其送至CDK7活性中心进行磷酸化反应，作者提出了一种“CTD磷酸化门控”模型（图3），使CTD结合在Mediator上，保证有效且持续地被磷酸化，而完全磷酸化后又使PIC与Mediator解离，允许转录机器离开启动子进入延伸阶段。

图2: Mediator组装形成PIC-Mediator复合物的“双杆杠系统”模式图。彩色展示组装形成PIC-Mediator复合物中的Mediator分子，灰色展示Mediator单体。黄色点表示“双杠杆系统”中的两个支点。

 

图3：“CTD磷酸化的门控”模型。Mediator的头部（HB1）和中部（Knob）的两个亚模块夹住Pol II CTD的两段多肽链形成“三明治”结构，该结构使得裸露在CDK7附近的CTD（eCTD）被磷酸化，同时Head 和Middle的动态结合形成“CTD磷酸化门控”系统，部分开放的“门”使得内部的CTD（cCTD）能够被释放出来，保证CTD有效且持续性地被CDK7激酶所磷酸化。而完全磷酸化的CTD无法结合Mediator，使PIC-Mediator复合物解离进入转录延伸。

TFIID赋予了PIC-Mediator结构和功能的完整性。在PIC-Mediator整体结构中，Mediator和TFIID分别位于TFIIH的上下两面，两者共同结合并稳定TFIIH，使TFIIH中CDK7激酶和XPB移位酶在PIC-Mediator中正确定位并发挥活性。其中XPB推动启动子DNA进入Pol II催化中心开始转录，而CDK7磷酸化Pol II的CTD允许Pol II聚合酶离开启动子区进入转录延伸，二者的活性是转录起始所必须的。TFIID还赋予了PIC-Mediator组装的高度动态性。通过两种代表结构进行比对，可看出PIC-Mediator各个部分都不同程度的发生了模块重排（图4），使其更好地适应高度动态的转录起始过程。上述发现在基于TBP的PIC-Mediator系统中并未被报道，说明TFIID在在转录起始超级复合物PIC-Mediator的组装和发挥功能中的关键作用。

图4：PIC-Mediator复合物的动态组装。两种PIC-Mediator复合物的结构比对，彩色展示PIC-Mediator初态（pre-hPIC-MED），灰色展示PIC-Mediator终态（hPIC-MED）。
 

该项工作提供了具有生理相关性和功能完整性的PIC-Mediator复合物结构，揭示了完整PIC-Mediator复合物的动态组装过程，提出了Mediator调控Pol II CTD磷酸化可能的分子机制。结构及其所提示的功能关联性对后续转录机制研究具有重要的指导意义，将分子生物学领域相关研究推到了一个新的高度。 

 

复旦大学附属肿瘤医院助理研究员陈曦子（复旦大学生物医学研究院2019届博士毕业生）、阴晓彤（复旦大学生命科学院2018届博士毕业生），复旦大学生物医学研究院2016级博士生李佳蓓、2016级博士生武子涵、2017级博士生戚轶伦、2017级博士生王鑫鑫为本文共同第一作者，徐彦辉研究员为通讯作者。

 

以上图文转自 BioArt微信公众号