責(zé)編丨迦溆

真核細(xì)胞的基因組DNA以核小體為單位組裝壓縮成染色質(zhì)，每一個(gè)核小體由組蛋白八聚體和在其上纏繞1.65圈的147 bp DNA組成【1】。核小體的存在，保護(hù)了基因組DNA，但也因?yàn)槠湎拗屏薉NA序列的可接近性，影響到了幾乎所有的基于DNA的分子生物學(xué)過程，例如復(fù)制、修復(fù)、重組以及轉(zhuǎn)錄等【2, 3】。

核小體中的組蛋白與DNA之間有多處特定的相互作用，這種相互作用會(huì)阻礙DNA或RNA聚合酶沿DNA鏈的延伸。體外的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，核小體會(huì)對(duì)RNA聚合酶II的轉(zhuǎn)錄延伸造成巨大的困難【4,5】，但是，RNA聚合酶II在體內(nèi)以染色質(zhì)為模板的轉(zhuǎn)錄延伸速率卻與其在裸露的DNA模板上的延伸速率相當(dāng)【6】，這是如何做到的呢？早先的大量研究發(fā)現(xiàn)，組蛋白修飾、組蛋白伴侶以及染色質(zhì)重塑因子等均能夠幫助RNA聚合酶II克服核小體所帶來的轉(zhuǎn)錄延伸障礙【7】。但是，關(guān)于RNA聚合酶II復(fù)合物究竟如何通過核小體，能否通過組蛋白八聚體完整的核小體，目前并不清楚。

RNA聚合酶II與核小體。圖片來源于：Hodges/UC Berkeley

最近，日本東京大學(xué)的Hitoshi Kurumizaka研究組和日本理化研究所的Shun-ichi Sekine研究組合作發(fā)表在Science上的兩項(xiàng)工作，通過解析轉(zhuǎn)錄中的RNA聚合酶II-核小體復(fù)合物的電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了RNA聚合酶II通過核小體的過程細(xì)節(jié)。

第一項(xiàng)工作Structural basis of the nucleosome transition during RNA polymerase II passage發(fā)表于2018年10月4日，研究者通過解析RNA聚合酶II-核小體的電鏡結(jié)構(gòu)，獲得了RNA聚合酶II暫停在核小體模板上的4個(gè)結(jié)構(gòu)快照。這四個(gè)位置分別在SHL(-6)、SHL(-5)、SHL(-2)和SHL(-1)處（SHL：the superhelical location）（下圖）。

這些結(jié)構(gòu)中RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄延伸的暫停都是由于組蛋白與特定位置DNA接觸形成的阻礙作用所造成的。這些結(jié)構(gòu)快照串聯(lián)起來，共同揭示出了RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄通過核小體的過程細(xì)節(jié)：RNA聚合酶II復(fù)合物將DNA鏈從組蛋白表面剝離下來，同時(shí)伴隨著RNA的轉(zhuǎn)錄延伸，在這一過程中核小體中的組蛋白八聚體能夠保持完整狀態(tài)（視頻1，強(qiáng)烈推薦點(diǎn)擊視頻瀏覽細(xì)節(jié)）。而在這之前的普遍觀點(diǎn)是：RNA聚合酶II通過核小體需要有一對(duì)H2A/H2B二聚體從組蛋白八聚體上解離下來【8,9】。

兩個(gè)月后，2018年12月6日的Molecular Cell上發(fā)表了一篇題為Frozen in Transcription: Cryo-EM Structures of Pol II Transcribing through a Nucleosome的Spotlight，高度評(píng)價(jià)了這項(xiàng)工作對(duì)于我們認(rèn)識(shí)染色質(zhì)條件下的RNA聚合酶II的轉(zhuǎn)錄延伸的重要意義【10】。

第二項(xiàng)工作Structural insight into nucleosome transcription by RNA polymerase II with elongation factors發(fā)表于2019年2月7日，研究者在第一項(xiàng)工作的基礎(chǔ)上，往RNA聚合酶II-核小體轉(zhuǎn)錄復(fù)合物體系中加入了延伸因子Elf1和Spt4/5。生化實(shí)驗(yàn)顯示：在Spt4/5和TFIIS的存在下，RNA聚合酶II能夠更容易的轉(zhuǎn)錄通過整個(gè)核小體；而Elf1和TFIIS的存在只能微弱的增強(qiáng)RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄延伸通過核小體，但是Elf1和Spt4/5共同加入后對(duì)RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄延伸通過核小體具有協(xié)同增強(qiáng)作用。

通過對(duì)延伸復(fù)合物電鏡結(jié)構(gòu)的解析，研究者獲得了RNA聚合酶在延伸因子幫助下暫停在SHL(-1)和SHL(-5)處的電鏡結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)結(jié)果顯示：Elf1、Spt5以及Spt4共同組成了結(jié)構(gòu)域簇，這個(gè)結(jié)構(gòu)域簇干涉阻礙了RNA聚合酶II與核小體之間的相互作用，使得RNA聚合酶II與核小體間的相對(duì)位置發(fā)生了改變，更易于延伸，并且這個(gè)結(jié)構(gòu)域簇作為分離器阻礙了轉(zhuǎn)錄位點(diǎn)附近DNA鏈與核小體組蛋白間的相互作用，從而促進(jìn)了RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄延伸通過核小體（下圖）。

這兩項(xiàng)工作揭示了RNA聚合酶II在轉(zhuǎn)錄延伸因子的幫助下克服阻礙通過核小體的過程細(xì)節(jié)（下圖）。此外，通過對(duì)有無延伸因子情況下，被剝離掉DNA的核小體與外界DNA的相互作用的比較，提示了組蛋白轉(zhuǎn)移（histone transfer）以及RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄延伸通過核小體后，核小體在組蛋白伴侶幫助下重新組裝的可能機(jī)制。

與這兩項(xiàng)工作同一時(shí)期，2018年12月21日，德國(guó)馬普研究所的Patrick Cramer研究組在Nature Communications上發(fā)表了題為Structure of transcribing RNA polymerase II-nucleosome complex的工作【11】。這篇文章獲得和解析了RNA聚合酶II暫停在核小體SHL(-5)處的電鏡結(jié)構(gòu)，但是它只有這一個(gè)結(jié)構(gòu)快照，提供的動(dòng)態(tài)機(jī)制信息相對(duì)少很多。

值得注意的是，基因轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)處的第一個(gè)核小體（the +1 nucleosome）對(duì)RNA聚合酶II的阻礙作用遠(yuǎn)比基因內(nèi)部的核小體的阻礙作用大【12】，而這兩項(xiàng)工作揭示的是RNA聚合酶II延伸通過基因內(nèi)部核小體的機(jī)制。雖然Patrick Cramer研究組之前的工作已經(jīng)解析了啟動(dòng)子臨近區(qū)暫停的RNA聚合酶II復(fù)合物的電鏡結(jié)構(gòu)【13】，但是關(guān)于RNA聚合酶II如何通過第一個(gè)核小體的過程細(xì)節(jié)，還有待進(jìn)一步的研究。

原文鏈接：

http://science./content/362/6414/595.abstract

http://science./content/early/2019/02/06/science.aav8912.abstract

制版人：珂

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