Nature:史上最詳細轉錄因子TFIID三維結構出爐,力助揭示人類基因...

圖片來自Eva Nogales/Berkeley Lab。

2016年3月25日/生物谷BIOON/--你的DNA不只是控制你眼睛的顏色和你是否捲舌。你的基因含有製造你身體所有蛋白的指令，而這些指令是你的細胞讓你存活所持續需要的。但是在此之前，基因表達在分子水平上如何運行的一些關鍵細節一直有點神秘。

在一項新的研究中，來自美國加州大學伯克利分校、勞倫斯伯克利國家實驗室和西班牙國家研究委員會（CSIC）羅卡索拉諾物理化學研究所的研究人員在理解我們體內被稱作轉錄起始前複合物（pre-initiation complex, PIC）的分子機構（molecular machinery）如何發現合適的DNA片段進行轉錄方面取得重大進展。他們史無前例地詳細呈現一種被稱作TFIID的轉錄因子所發揮的作用。相關研究結果於2016年3月23日在線發表在Nature期刊上，論文標題為「Structure of promoter-bound TFIID and model of human pre-initiation complex assembly」。論文通信作者是勞倫斯伯克利國家實驗室生物物理學家Eva Nogales，論文第一作者是Nogales實驗室生物物理學研究生Robert Louder。其他作者是Yuan He、José Ramón López-Blanco、Jie Fang和Pablo Chacón。

這一發現是非常重要的，這是因為它為科學家們理解和治療一系列惡性腫瘤鋪平道路。Eva Nogales說，「理解細胞中的這種調節過程是操縱它或當它變壞時修復它的唯一方式。基因表達是包括從胚胎發育到癌症在內的很多重要生物學過程的關鍵。一旦我們能夠操縱這些基本機制，那麼我們就能夠要麼校正應當或不應當存在的基因表達，要麼阻止這種過程[即基因表達]失去控制時的惡性狀態。」

18年來，Nogales一直在研究基因表達。儘管她和她的團隊近幾年取得幾項重大發現，但是她將當前的這項發現稱為她迄今為止最大的突破。她說，「這一發現將會寫入生物化學教科書中。我們如今繪製出在每個基因開始轉錄時形成的這種蛋白分子機構（即PIC）的結構。由於依據傳統方法確實很難研究它，所以在此之前沒有人有機會做到這一點。」

在活的有機體中，基因信息從DNA流動到蛋白的過程被稱作「分子生物學的中心法則」。細胞持續地開啟和關閉基因以應對它們所在環境中發生的事情，而為了做到這一點，細胞使用它自己的DNA---大型的基因藍圖庫（library of genetic blueprints）---找到正確的基因片段，然後進行轉錄產生信使RNA（mRNA），mRNA然後被用來產生所需的蛋白。

問題在於這種「基因藍圖庫」沒有頁碼，也沒有目錄。然而，每個基因含有特異性的DNA序列，即作核心啟動子基序（core promoter motif），從而指示一個基因在何處開始和結束。因此，執行轉錄的RNA聚合酶如何知道在何處開始轉錄？Nogales說，「DNA是一種非常非常大的分子。人們不得不從中找到這種基因轉錄從何處開始，不過這種RNA聚合酶知道在何處開始轉錄。這種轉錄因子，即TFIID，確實就是這種準確地做到這一點的蛋白複合體。它識別和結合到DNA核心啟動子序列上。」

Nogales和她的團隊能夠以前所未有的細節可視化觀察結合到DNA上的TFIID。TFIID由TATA結合蛋白（TBP）和13個TBP結合因子（TAF1～13）組成，能夠特異性識別基因的起始或者說啟動子序列。他們也發現TFIID起著著陸架（landing pad）的作用，這樣這整個分子機構（即PIC）就能夠在這個位置上組裝起來。PIC最終將這種RNA聚合酶安置在適當位置，這樣後者才能夠開始轉錄。

Nogales說，「TFIID不僅發揮著結合到DNA上、招募[其他PIC組分]和充當著陸架的作用，它還在有機體一生當中任何一個給定時間點上對不同的基因發揮的作用存在著某種程度上的差異。」

Louder補充道，「我們首次解析出完整的基於TFIID的人PIC結構圖。我們的結構圖對人PIC組裝產生新的認識，包括TFIID在將PIC其他組分招募到DNA啟動子序列上的作用，以及長期觀察到的TFIID構象柔性變化如何在調節轉錄起始中發揮作用。」

傳統上，科學家利用X射線衍射晶體分析法研究蛋白結構，但是這種技術不適合用於當前的這種類型的研究。Nogales說，「TFIID很難形成蛋白結晶，這是因為沒有足夠的材料讓它結晶，而且它非常有柔性，此外它的尺寸大。我們能夠利用低溫電子顯微（cryo-electron microscopy, cryo-EM）成像技術克服這些問題。」

在Cryo-EM中，科學家在低溫條件下對蛋白樣品進行成像，同時不需要使用染料或固定劑。這種技術從上個世紀八十年代開始就一直用於結構生物學研究當中。對成像所獲得的這些圖片廣泛地計算分析，研究人員能夠繪製出蛋白的三維結構。不過，隨著勞倫斯伯克利國家實驗室開發的新型檢測器的降臨，cryo-EM在過去幾年也經歷技術變革，比如這些新型檢測器能夠提高解析度，同時將所需的數據量降低高達100倍。

她說，「我們曾認為很多生物系統不可能在高解析度下進行研究。如今，這種高解析度允許我們獲得分子細節。這是勞倫斯伯克利國家實驗室成為佼佼者之一的一個領域。」

儘管這項研究揭示出基因表達方面的新認識，但是Nogales注意到還需開展更多研究。接下來，她將繼續研究TFIID如何能夠識別不同類型基因的不同序列，以及它如何受到輔因子和激活物的調節。

她說，「我們只是剛剛開了個頭。這種TFIID複合體是非常非常至關重要的。如今，從這個意義上講，我們打破了一些障礙：我們能夠開始繪製分子結構，並且獲得DNA如何被TFIID結合的細節。」（生物谷 Bioon.com）

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Structure of promoter-bound TFIID and model of human pre-initiation complex assembly

doi:10.1038/nature17394

Robert K. Louder, Yuan He, José Ramón López-Blanco, Jie Fang, Pablo Chacón & Eva Nogales

The general transcription factor IID (TFIID) plays a central role in the initiation of RNA polymerase II (Pol II)-dependent transcription by nucleating pre-initiation complex (PIC) assembly at the core promoter. TFIID comprises the TATA-binding protein (TBP) and 13 TBP-associated factors (TAF1–13), which specifically interact with a variety of core promoter DNA sequences. Here we present the structure of human TFIID in complex with TFIIA and core promoter DNA, determined by single-particle cryo-electron microscopy at sub-nanometre resolution. All core promoter elements are contacted by subunits of TFIID, with TAF1 and TAF2 mediating major interactions with the downstream promoter. TFIIA bridges the TBP–TATA complex with lobe B of TFIID. We also present the cryo-electron microscopy reconstruction of a fully assembled human TAF-less PIC. Superposition of common elements between the two structures provides novel insights into the general role of TFIID in promoter recognition, PIC assembly, and transcription initiation.