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徐彦辉等团队连发4篇Nature/Science,系统解析预启动复合物的结构
2021-05-116242

1.3-MDa转录因子IID(TFIID)是预启动复合物(PIC)组装和几乎所有基因上RNA聚合酶II(Pol II)介导的转录起始所必需的。26个亚基中介体(Mediator )刺激转录和细胞周期蛋白依赖性激酶7(CDK7)介导的Pol II C末端域(CTD)的磷酸化。

2021年5月7日,复旦大学徐彦辉团队在Science 在线发表题为“Structures of the human Mediator and Mediator-bound preinitiation complex”的研究论文,该研究确定了人类中介体的结构在扩展的尾巴模块(在近原子分辨率下)和弯曲的尾巴构象以及基于TFIID的PIC中介体(76个多肽,4.1 MDa)在四个不同的构象中的结构。

PIC-Mediator组件诱导Mediator协调一致的重组(Head-tilting和Middle-down),并创建Head-Middle三明治形状,该三明治形状可稳定两个CTD片段并将CTD带入CDK7进行磷酸化,提示CTD门控机制有利于磷酸化。基于TFIID的PIC体系结构可调节Mediator的组织和TFIIH的稳定性,从而突出了TFIID在编排PIC-Mediator组件中的重要性。

另外,2021年4月26日,马克斯·普朗克研究所Patrick Cramer团队在Nature 在线发表题为“Structure of human Mediator–RNA polymerase II pre-initiation complex”的研究论文,该研究制备了重组人中介体,重构了50个亚基的中介体-PIC复合物,并通过cryo-EM确定了复合物的结构。中介体使用其头模块来接触Pol II茎和一般转录因子TFIIB和TFIIE,类似于相应酵母复合物中的中介体-PIC相互作用。MED27-MED30与MED14和MED17中的暴露区域相关联,以形成与激活剂结合的中介体尾巴模块的近端部分。中介体将通用转录因子TFIIH的柔性连接的CDK激活激酶(CAK)定位在Pol II的C末端重复域(CTD)的接头附近。

另外,2021年4月26日,马克斯·普朗克研究所Patrick Cramer团队在Nature 在线发表题为“Structures of mammalian RNA polymerase II pre-initiation complexes”的研究论文,该研究报告了高分辨率的PIC冷冻EM 结构,包括人类一般因子和Sus scrofa domesticus Pol II(与人类Pol II的99.9%相同)。该研究以2.5–2.8的分辨率确定具有闭合和打开的启动子DNA的PIC结构,并以2.9–4.0的分辨率解析TFIIH。该研究捕获了TFIIH易位酶XPB在易位前和易位后的状态,并表明XPB诱导并传播DNA扭曲,以启动TATA盒下游30个碱基对的DNA开放。该研究还提供了证据,表明DNA开放分为两个步骤,并导致TFIIH从核心PIC脱离,这可能会阻止DNA扭曲并启用RNA链起始。

2021年4月2日,复旦大学徐彦辉团队在Science 在线发表题为“Structural insights into preinitiation complex assembly on core promoters”的研究论文,该研究利用冷冻电镜方法,解析了PIC组装过程中所有关键组装步骤和状态的复合物结构。研究分析发现:TFIID含有多个DNA结合区,具有较高的序列包容度,可识别各种不同类型的基因启动子;针对不同类型启动子,PIC通过两种方式将启动子推动至聚合酶催化中心上方准备转录,提出“双路径启动子推动”模型(two-track promoter deposition);处于Drive构象的完整PIC,为转录起始做好了两方面准备。这一发现还从分子层面颠覆了对TBP只结合TATA box的传统看法,很好解释了PIC组装和基因转录为何可发生在几乎所有基因的启动子上。

 


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RNA聚合酶(Pol)II的真核转录起始需要在核心启动子上组装预起始复合物(PIC),该短序列包含转录起始位点(TSS)上游50个碱基对(bp)和下游50 bp的短序列。转录因子IID(TFIID)识别核心启动子并通过募集通用转录因子(GTF)TFIIA,TFIIB,TFIIF和Pol II来组装核心PIC(cPIC),然后募集TFIIE来组装中间体,从而支持PIC逐步组装PIC(mPIC)和TFIIH组装完整的PIC(hPIC)。PIC组装是Pol II介导的真核转录的严格要求,并且受到严格的监控。GTF介导的基础转录被共激活因子和序列特异性转录因子激活,这有助于转录机制的募集并因此激活靶基因的转录。

作为第一个招募为启动子的GTF,TFIID由TATA盒结合蛋白(TBP)和13个TBP相关因子(TAF1至TAF13)组成,分子量约为1.3 MDa。Pol II介导的转录起始的“教科书”模型始于TBP与TATA盒的结合,在TSS上游约30 bp。TBP弯曲TATA盒以形成鞍形结构,并支持在TATA盒启动器上进行PIC组装。

然而,已经证明,TBP-TATA系统是一个例外,而不是一般规则,因为多达85%的编码基因启动子缺乏共有的TATA盒基序,通常被称为无TATA的启动子。此外,几乎所有Pol II介导的基因转录都需要TFIID复合物,而其功能不能被TBP取代。尽管在TATA盒启动子上对基于TBP的PIC进行了广泛的结构研究,但仍不清楚TFIID如何支持PIC在不同类型的启动子上组装,特别是在无TATA的启动子上。

TFIIH是组装到PIC中的最后一个GTF。TFIIH由七个亚基核心模块和一个三亚基细胞周期蛋白依赖性激酶(CDK)激活激酶(CAK)模块组成。XPB是TFIIH核心的ATP依赖的DNA转移酶亚基,在启动子melting,启动子逃逸及转录启动中起作用。CAK由CDK7,细胞周期蛋白H(CycH)和MAT1形成。CDK7激酶使Pol II C末端结构域(CTD)磷酸化。XPB介导的启动子melting和CAK介导的CTD磷酸化对于转录启动都是必不可少的。但是,如何将两个催化模块集成到基于TFIID的PIC中仍然未知。

该研究利用冷冻电镜方法,解析了PIC组装过程中所有关键组装步骤和状态的复合物结构。为研究PIC对各种不同类型启动子的识别,研究人员在涵盖所有启动子类型(三种)的8个启动子及5个突变启动子上,组装PIC复合物并进行了结构分析。25个复合物结构提供了PIC组装的不同阶段,不同功能状态,不同启动子类型的全覆盖结构信息。

研究分析发现:TFIID含有多个DNA结合区,具有较高的序列包容度,可识别各种不同类型的基因启动子;针对不同类型启动子,PIC通过两种方式将启动子推动至聚合酶催化中心上方准备转录,提出“双路径启动子推动”模型(two-track promoter deposition);处于Drive构象的完整PIC,为转录起始做好了两方面准备。这一发现还从分子层面颠覆了对TBP只结合TATA box的传统看法,很好解释了PIC组装和基因转录为何可发生在几乎所有基因的启动子上。

据悉,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2014级博士)、复旦大学生物医学研究院2017级博士生戚轶伦、2016级博士生武子涵、2020级博士生王鑫鑫、2016级博士生李佳蓓、2017级博士生赵丹、复旦大学附属肿瘤医院副研究员侯海峰为本文共同第一作者,徐彦辉为通讯作者。

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