基因转录的起始过程发生了什么？复旦学者在《科学》杂志发文

2023年12月22日，复旦大学上海医学院徐彦辉团队在《科学》（Science）杂志上在线发表题为“Structural visualization of transcription initiation in action”的研究长文。澎湃新闻记者从复旦上医获悉，该项研究首次用结构重现出了转录从头起始的16个连续动态全过程，揭示了通用转录因子（GTFs）和转录泡协同RNA聚合酶Pol II调控转录起始向转录延伸转变的分子机制。

生命的遗传物质是DNA，而DNA可以通过自我复制，伴随着细胞的分裂传递遗传信息。DNA可以通过转录形成RNA，RNA通过翻译的过程合成蛋白质。转录是基因表达调控的核心，基因表达调控在人的发育、疾病发生过程中起到重要作用。

转录起始过程涉及十余个复合物上百个蛋白的巨大转变，过去几十年来，众多的实验室利用生物化学、单分子生物物理以及结构生物学等方法开展了大量探索性的工作，但对其发生过程和分子机制的理解还不够深入。

在此项研究中，徐彦辉团队解析了一个转录过程中重要的动态事件：从转录起始向转录延伸的过渡，这一事件也被称为启动子逃逸。启动子逃逸是转录从起始到延伸的关键转折步骤，在这一过程中RNA聚合酶II的构象需要发生变化，在生成RNA产物的同时解离通用转录因子。

长期以来，这一过程一直蒙着神秘面纱。中国科学院生物物理研究所研究员朱冰在专家点评中解读，“这（揭示启动子逃逸过程）是领域中一个长期未能解决的问题，因为这是一个快速的动态事件，RNA聚合酶II延伸的速度一般被认为是每分钟几千个碱基，而启动子逃逸过程涉及的大约只有最初的20个左右的碱基的合成，也就是说需要在几秒钟内完成一系列的动态事件，这对于结构生物学研究是一个极大的挑战。”

在研究过程中，徐彦辉团队致力于将这一瞬间定格为永恒。研究人员设计了一系列的转录模板，可以控制RNA聚合酶II停在转录最初17个碱基时的任意一个碱基位置。这一设计好比让连贯的场景变成一帧帧定格画面，随后，研究人员逐步捕捉每一步的画面，连贯而成一部动态“电影”。这部“电影”也首次描绘出了连续的转录起始动态全过程，揭示完整转录起始过程及其分子机制。

由于复合物的组成和构象不均一，为了获得高分辨率结构数据，研究人员利用复旦上医平台300 kV 冷冻电镜采集了约110天，共58万张照片数据，获得了分别暂停在转录起始位点下游2-17位核苷酸，核心分辨率为2.7-3.3 Å，共16个转录复合物（TC2-TC17）的结构。通过这16个连续的结构，结合早期该团队解析的转录前起始复合物PIC结构，研究团队得以描绘这一动态全过程。

本研究将此前众多研究中看似矛盾的结论作了统一，回答了起始过程中众多问题，揭示了转录起始调控的机制，为理解基因表达调控奠定了结构基础。该研究也开创了利用生化和结构生物学重构生物大分子机器动态过程，揭示其工作机制的新路径，为众多复杂过程的研究提供了新思路。

复旦大学生命科学学院青年研究员陈曦子、复旦大学生物医学研究院2019级直博生刘维达、青年研究员王茜敏以及粤港澳大湾区精准医学研究院博士后王鑫鑫为本文共同第一作者，复旦大学附属肿瘤医院研究员、生物医学研究院兼职研究员徐彦辉为通讯作者。