Science：突破性进展！复旦大学徐彦辉团队获得了转录起始全景图

转录起始是一个复杂的过程，其机制尚不完全清楚。

2023年12月22日，复旦大学徐彦辉团队在Science 在线发表题为”Structural visualization of transcription initiation in action“的研究论文，该研究分别测定了新生RNA长度达到2到17个核苷酸时，在较少G启动子上停止RNA聚合酶II的新生转录复合物TC2到TC17的结构。将这些结构连接起来，生成了一个电影和一个工作模型。

当最初合成的RNA生长时，一般转录因子(GTFs)仍然与启动子结合，转录泡扩大。三磷酸核苷(NTP)驱动的RNA-DNA易位和模板链在一个近乎封闭的通道中积累可能促进从初始转录复合物(ITCs) (TC2到TC9)到早期延伸复合物(EECs) (TC10到TC17)的转变。总之，该研究揭示了转录起始的动态过程，并揭示了为什么ITCs需要GTF和泡膨胀来进行初始RNA合成，而EECs需要GTF与启动子分离和泡破裂来进行启动子逃逸。

在真核细胞中，核心启动子由约100个碱基对(bp)组成，包括直接起始前复合物(PIC)组装和跨越转录起始位点(TSSs)的元件。转录起始始于PIC的组装，PIC由RNA聚合酶II (Pol II)和一般转录因子(GTF)组成，包括TFIIA、TFIIB、TFIID、TFIIE、TFIIF和TFIIH。TFIID通过TATA box binding protein (TBP)和TBP-associated factors (TAFs)识别核心启动子，并招募Pol II和其他GTFs组装一个封闭启动子PIC复合物(CC)。

TFIIH的三磷酸腺苷(ATP)水解导致下游启动子易位到Pol II活性中心。PIC转化为开放启动子PIC复合物(OC)， OC包含一个转录泡，模板链插入Pol II活性位点，以指导新生RNA的合成。早期的结构研究揭示了三磷酸核苷(NTP)驱动RNA生长和RNA-DNA易位的机制以及PIC组装和启动子打开。

广泛的生物化学研究表明，在转录起始的早期阶段有显著的功能和组成变化。简而言之，当RNA合成开始时形成初始转录复合体(ITC)，当RNA长度为2或3个核苷酸(nt)时，可以观察到起始流产。逃逸承诺被认为发生在RNA长度达到4 nt时。当RNA长度为7-10nt时，转录泡扩展到17 - 18nt，随后泡突然崩溃。Pol II最终会断开与GTF的接触，脱离启动子，形成早期延伸复合物(EEC)。

转录起始的示意图模型（图源自Science ）

虽然已经报道了重组ITCs的结构，但这些复合物不是从PIC开始的，而是组装在人工RNA-DNA杂交体上，这种杂交体是由不匹配的转录泡形成的，其中模板链与合成的互补RNA配对。最近的一项研究捕获了酵母(Saccharomyces cerevisiae)回溯ITC复合物的结构，该复合物始于PIC。然而，酵母和哺乳动物的转录起始在许多方面有所不同。例如，酵母聚合酶在启动子上进行多达100个核苷酸的TSS扫描，这在哺乳动物中不会发生。

迄今为止报道的结构提供了具有不同组成和不同启动子的复合物的碎片状一瞥。目前对哺乳动物从头转录起始的理解，包括GTF解离，泡膨胀和突然崩溃，以及ITC-EEC转换，受到各种实验背景的不一致性和缺乏连续捕获的转录复合物结构的限制。尽管进行了数十年的生化和结构研究，但这些过程的潜在分子机制在很大程度上仍然难以捉摸。

该研究分别测定了新生RNA长度达到2到17个核苷酸时，在较少G启动子上停止RNA聚合酶II的新生转录复合物TC2到TC17的结构。将这些结构连接起来，生成了一个电影和一个工作模型。当最初合成的RNA生长时，一般转录因子(GTFs)仍然与启动子结合，转录泡扩大。三磷酸核苷(NTP)驱动的RNA-DNA易位和模板链在一个近乎封闭的通道中积累可能促进从初始转录复合物(ITCs) (TC2到TC9)到早期延伸复合物(EECs) (TC10到TC17)的转变。总之，该研究揭示了转录起始的动态过程，并揭示了为什么ITCs需要GTF和泡膨胀来进行初始RNA合成，而EECs需要GTF与启动子分离和泡破裂来进行启动子逃逸。

参考消息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi5120