喬治亞州立大學(xué)，加州大學(xué)伯克利分校和西北大學(xué)的研究人員為基因表達(dá)的關(guān)鍵早期事件提供了前所未有的分子觀點(diǎn)，這是一個(gè)對(duì)所有生命至關(guān)重要的過(guò)程。低溫電子顯微鏡(cryo-EM)是一種在低溫下研究樣品的技術(shù)，結(jié)合最先進(jìn)的計(jì)算模型，使研究人員能夠以近原子分辨率顯示大型轉(zhuǎn)錄預(yù)啟動(dòng)復(fù)合物(PIC)。PIC是一種蛋白質(zhì)組裝，可定位酶RNA聚合酶，從而可以開(kāi)始轉(zhuǎn)錄。

新結(jié)構(gòu)揭示了整個(gè)轉(zhuǎn)錄起始過(guò)程中PIC的順序構(gòu)象變化，包括識(shí)別基因轉(zhuǎn)錄開(kāi)始的DNA啟動(dòng)子區(qū)域，打開(kāi)該啟動(dòng)子區(qū)域并啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。該研究發(fā)表在Nature雜志上?；蛴蒁NA組成，它是我們所有遺傳信息的儲(chǔ)存庫(kù)。為了使用基因中編碼的信息，RNA聚合酶必須以信使RNA的形式復(fù)制。復(fù)制過(guò)程稱為轉(zhuǎn)錄，是生命必需的核心活動(dòng)之一。

在這種嚴(yán)格控制的過(guò)程開(kāi)始時(shí)，RNA聚合酶和一般轉(zhuǎn)錄因子蛋白在DNA的特定位點(diǎn)聚集形成PIC。需要PIC組裝來(lái)打開(kāi)啟動(dòng)子的雙鏈DNA螺旋，將DNA定位在RNA聚合酶的活性位點(diǎn)并開(kāi)始轉(zhuǎn)錄過(guò)程。然后使用信使RNA轉(zhuǎn)錄物產(chǎn)生蛋白質(zhì)，即人體的構(gòu)建塊。

“本文提供了有關(guān)參與轉(zhuǎn)錄過(guò)程早期階段的復(fù)合物的詳細(xì)結(jié)構(gòu)信息，”喬治亞州立大學(xué)化學(xué)副教授Ivaylo Ivanov說(shuō)。“我們探索RNA聚合酶和一般轉(zhuǎn)錄因子為打開(kāi)轉(zhuǎn)錄泡并開(kāi)始轉(zhuǎn)錄過(guò)程所采取的步驟。這是一個(gè)非常重要的系統(tǒng)，以前無(wú)法通過(guò)晶體學(xué)或任何其他結(jié)構(gòu)方法獲得。這是人類PIC裝配的第一次近原子Cryo-EM重建。“

化學(xué)交聯(lián)和結(jié)晶學(xué)提供了來(lái)自真核生物如酵母的部分RNA聚合酶復(fù)合物的一瞥，但這些技術(shù)無(wú)法解決整個(gè)PIC復(fù)合物的結(jié)構(gòu)。PIC導(dǎo)致DNA解旋的事件和過(guò)程以及轉(zhuǎn)錄泡的形成，轉(zhuǎn)錄泡是在DNA雙鏈的一部分展開(kāi)時(shí)在轉(zhuǎn)錄過(guò)程中發(fā)生的分子結(jié)構(gòu)，這一點(diǎn)尚不清楚。

為了構(gòu)建PIC復(fù)雜的詳細(xì)原子模型，Ivanov和他的團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用了綜合分子建模技術(shù)。計(jì)算依賴于現(xiàn)代超級(jí)計(jì)算技術(shù)，該技術(shù)可通過(guò)美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)極端科學(xué)和工程發(fā)現(xiàn)環(huán)境計(jì)劃和國(guó)家能源研究科學(xué)計(jì)算中心獲得。研究人員表明，互補(bǔ)技術(shù)的明智組合 - 分子動(dòng)力學(xué)靈活擬合和原子坐標(biāo)的精細(xì)化與Phenix晶體學(xué)軟件包 - 導(dǎo)致模型在相同分辨率范圍內(nèi)的質(zhì)量與晶體結(jié)構(gòu)相當(dāng)。

研究人員在三種不同的功能狀態(tài)下捕獲了人類PIC：1)與啟動(dòng)子區(qū)域的DNA雙螺旋結(jié)合的閉合狀態(tài)，2)與轉(zhuǎn)錄泡相關(guān)的開(kāi)放狀態(tài)和3)初始轉(zhuǎn)錄復(fù)合物準(zhǔn)備執(zhí)行信使RNA合成的化學(xué)。他們還能夠可視化人類PIC組件的許多先前未確定的組件。該研究結(jié)果揭示了一種稱為TFIIH的轉(zhuǎn)錄因子的完整亞基組織，其在打開(kāi)啟動(dòng)子區(qū)域中具有關(guān)鍵作用。TFIIH證明了PIC組件中最難解決的部分之一。

“我們之前有許多新的可視化結(jié)構(gòu)元素，這些元素從未為人類復(fù)合體建立過(guò)，”伊萬(wàn)諾夫說(shuō)。PIC的封閉，開(kāi)放和初始轉(zhuǎn)錄狀態(tài)之間的比較提供了對(duì)DNA參與，啟動(dòng)子融合和轉(zhuǎn)錄泡穩(wěn)定化過(guò)程的新機(jī)制見(jiàn)解“如果沒(méi)有電子顯微鏡(EM)的進(jìn)步并且沒(méi)有綜合計(jì)算建模的最新進(jìn)展，這一切都不可能實(shí)現(xiàn)，”伊萬(wàn)諾夫說(shuō)。“近乎原子分辨率EM結(jié)構(gòu)的能力最近才通過(guò)直接電子探測(cè)器技術(shù)和新的強(qiáng)大計(jì)算算法相結(jié)合來(lái)分析圖像。“在過(guò)去的幾年里，Cryo-EM經(jīng)歷了一場(chǎng)革命，首次實(shí)現(xiàn)了與晶體學(xué)相當(dāng)?shù)姆直媛?。這為結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域開(kāi)辟了巨大的機(jī)會(huì)，可以在原子細(xì)節(jié)上研究大分子復(fù)合物而無(wú)需產(chǎn)生蛋白質(zhì)晶體。“