2016年5月14日/生物谷BIOON/--作為所有生命必不可少的一個過程，基因表達分兩步：DNA轉錄為RNA，然後RNA翻譯為蛋白。
在一項新的研究中，來自美國喬治亞州立大學、加州大學伯克利分校和西北大學等多家機構的研究人員將低溫電鏡技術（Cryo-EM）和最新的計算建模方法結合在一起，史無前例地詳細解析出近原子解析度下的人轉錄前起始複合體（transcription pre-initiation complex, PIC）的分子結構。人PIC是一個蛋白組裝體，將RNA聚合酶安排在合適的位置從而確保能夠啟動轉錄。
這些新的結構有助深入認識在轉錄起始整個過程---包括識別基因轉錄開始啟動的DNA啟動子區域、打開這個啟動子區域和起始轉錄---中人PIC發生的一系列構象變化。相關研究結果於2016年5月11日在線發表在Nature期刊上，論文標題為「Near-atomic resolution visualization of human transcription promoter opening」。
基因是由儲存著遺傳信息的DNA組成的。為了使用基因中編碼的遺傳信息，RNA聚合酶必需將基因拷貝為信使RNA（mRNA）。這個拷貝過程就被稱作為轉錄。
在這個緊密控制的轉錄過程開始時，RNA聚合酶和一般轉錄因子（general transcription factor）在DNA的特定位點上組裝在一起而形成PIC。這種PIC組裝是打開啟動子的雙鏈DNA螺旋結構從而將DNA放入在RNA聚合酶活性位點上和開始轉錄過程所必需的。所產生的mRNA轉錄本然後就被用來製造蛋白。
論文作者、喬治亞州立大學化學副教授Ivaylo Ivanov說，「這篇論文提供這些參與轉錄過程早期階段的複合體的詳細結構信息。我們研究了為了打開轉錄泡（transcription bubble）和開始轉錄過程，RNA聚合酶和一般轉錄因子所採取的每一個步驟。這是一個非常重要的系統，在此之前不能夠通過晶體結晶或任何其他結構方法進行分析。這是人PIC複合體的首個近原子解析度的Cryo-EM結構重建圖。」
化學交聯和晶體結晶已提供來自酵母等真核生物的部分RNA聚合酶複合體的結構信息，但是這些技術並不能夠解析出完整的PIC複合體的結構。PIC導致DNA解旋的事件和過程，以及轉錄泡形成---在轉錄期間當一部分雙鏈DNA片段解旋時形成的一個分子結構，它是由RNA聚合酶核心酶、DNA模板鏈和轉錄形成的RNA新鏈三者結合形成的轉錄複合物---都未得到足夠地了解。
為了獲得人PIC複合體的詳細結構，研究人員將Cryo-EM和依賴於超算技術的整合分子計算建模技術結合在一起，捕獲三種不同功能狀態下的人PIC結構：1）與啟動子區域的DNA雙螺旋接觸時的關閉狀態；2）與轉錄泡接觸時的打開狀態，3）準備執行mRNA合成的起始轉錄狀態。他們也能夠可視化觀察人PIC複合體中多種之前並未確定的組分。這些發現揭示出轉錄因子TFIIH的完整亞基組裝結構，其中TFIIH在打開啟動子區域中發揮著至關重要的作用。TFIIH是PIC複合體中結構最難解析的組分之一。
通過對PIC的關閉狀態、打開狀態和起始轉錄狀態進行比較，研究人員對DNA接觸、啟動子解旋和轉錄泡穩定化產生新的深刻認識。
Ivanov說，「若沒有電子顯微技術取得的進展，若沒有整合計算建模技術近期取得的進展，這是不可能實現的。獲得近原子解析度的電子顯微結構僅僅在將電子顯微技術與新的分析圖像的強大計算算法結合在一起時才有可能實現。」（生物谷 Bioon.com）
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Near-atomic resolution visualization of human transcription promoter opening
doi:10.1038/nature17970
Yuan He, Chunli Yan, Jie Fang, Carla Inouye, Robert Tjian, Ivaylo Ivanov & Eva Nogales
In eukaryotic transcription initiation, a large multi-subunit pre-initiation complex (PIC) that assembles at the core promoter is required for the opening of the duplex DNA and identification of the start site for transcription by RNA polymerase II. Here we use cryo-electron microscropy (cryo-EM) to determine near-atomic resolution structures of the human PIC in a closed state (engaged with duplex DNA), an open state (engaged with a transcription bubble), and an initially transcribing complex (containing six base pairs of DNA–RNA hybrid). Our studies provide structures for previously uncharacterized components of the PIC, such as TFIIE and TFIIH, and segments of TFIIA, TFIIB and TFIIF. Comparison of the different structures reveals the sequential conformational changes that accompany the transition from each state to the next throughout the transcription initiation process. This analysis illustrates the key role of TFIIB in transcription bubble stabilization and provides strong structural support for a translocase activity of XPB.