Science：重大發現！從結構上揭示基因特異性轉錄激活蛋白工作機制

2016年6月13日/生物谷BIOON/--在一項新的研究中，來自美國羅格斯大學的研究人員發現一種基因特異性轉錄激活複合物的三維結構，並且首次在結構上和機制上描述了細胞用來開啟或者說激活特異性基因以應對細胞形狀、發育狀態和環境的變化的過程。相關研究結果發表在2016年6月10那期Science期刊上，論文標題為「Structural basis of transcription activation」。 轉錄是細胞採取一系列步驟讀取DNA中遺傳信息的第一步。

在這項研究中，來自羅格斯大學的Richard Ebright、Yu Feng和Yu Zhang證實一種轉錄激活蛋白（transcription activator protein, 也譯作轉錄激活因子）如何與細胞用來進行轉錄的RNA聚合酶相互作用。他們也證實這種轉錄激活蛋白如何協助RNA聚合酶在基因前面的特異性位點上結合到DNA雙螺旋上，以及這種轉錄激活蛋白如何協助RNA聚合酶讓DNA雙螺旋解旋從而啟動基因轉錄。

研究人員證實這種轉錄激活蛋白的功能就是它結合到靶基因前面的特異性DNA序列上，並與RNA聚合酶之間發生粘附的類似尼龍搭扣（Velcro-like）的相互作用，這種相互作用讓RNA聚合酶與附近的DNA序列的接觸穩定化。

研究人員進一步證實這種轉錄激活蛋白與RNA聚合酶發生兩次獨立的先後發生的相互作用：第一次相互作用協助RNA聚合酶結合到DNA雙螺旋上，第二次相互作用協助RNA聚合酶將DNA雙螺旋解旋。

Ebright說，「確定一種基因特異性的轉錄激活複合物的結構是科學家們將近40年的目標。」

英國伯明翰大學生物化學教授Steve Busby（未參與這項研究）說，「這是一篇具有里程碑意義的論文。我們首次擁有靶基因啟動子上轉錄激活的完整分子圖像。之前的報道已描述了這種過程的組分，或者依賴於更低解析度數據的重建。在這項最新的論文中，Ebright和同事們利用來自在高溫下生長的細菌的組分破解了這個問題。結果就是解決了轉錄激活蛋白如何工作的一些基礎問題，而且也利用這種嗜熱細菌系統揭示出一些意料之外的差異，這就說明了一種基礎機制在進化樹的不同分支中是如何被精心設計的。」

在這項研究中，研究人員確定的結構是來自嗜熱棲熱菌（Thermus thermophilus）的含轉錄激活蛋白TTHB099（transcription activator protein TTHB099, TAP）轉錄激活複合物的結構。鑒於TAP在序列和結構上與典型的最有名的細菌轉錄激活蛋白---降解物活化蛋白（catabolite activator protein, CAP），也被稱作環腺苷酸受體蛋白質（cyclic AMP receptor protein, CRP）---存在密切的關聯性，這些結果為理解細菌轉錄激活提供一個框架。同時鑒於細菌和高等生物中的轉錄複合體在結構上和機制上也存在關聯性，這種結構也為理解包括人類在內的高等生物中的轉錄和轉錄調節提供一個框架。

這種結構確定了RNA聚合酶和轉錄起始因子σ與靶基因上游的DNA序列之間的相互作用。這種結構也確定了TAP與DNA序列、RNA聚合酶和轉錄起始因子σ之間的相互作用。

TAP識別並結合靶基因上游的特異性DNA序列。它通過將一對α-螺旋插入到DNA雙螺旋的溝中和檢測DNA鹼基對邊緣的功能性基團來識別特異性的DNA序列。

這種結構表明DNA結合TAP（即結合到DNA序列上的TAP）的一個暴露的表面（被稱作AR4）與RNA聚合酶α亞基羧基端結構域進行蛋白間接觸。這種相互作用是在RNA聚合酶初始結合到DNA序列之前或期間發生，協助RNA聚合酶結合到DNA序列上。這種結構還表明DNA結合TAP的兩個其他暴露的表面（被稱作AR2和AR3）與RNA聚合酶β亞基之間和也與轉錄起始因子σ之間進行蛋白間接觸。這兩種相互作用僅在RNA聚合酶初步結合到DNA序列後發生，協助RNA聚合酶和轉錄起始因子σ對DNA序列進行解旋。

AR4相互作用以及AR2和AR3相互作用都是簡單的粘附的類似尼龍搭扣的相互作用，因而能夠起著讓RNA聚合酶和轉錄起始因子σ與TAP結合的DNA序列附近的DNA片段之間的接觸穩定化的作用。這兩組相互作用的不同功能結果---AR4相互作用促進DNA結合，而AR2和AR3相互作用促進DNA解旋---起源自相互作用的時間選擇，而不是起源自相互作用性質上的差異。

美國哈佛醫學院微生物學與免疫學教授Ann Hochschild（未參與這項研究）說，「這篇論文提供轉錄激活過程眼花繚亂的圖片。Ebright和同事們呈現出捕捉一種結合到DNA序列上的轉錄激活蛋白和RNA聚合酶（基因表達的一種重要的酶）之間相互作用網路的晶體結構。這些結構分析支持一種針對轉錄激活蛋白功能的優雅的統一機制。」（生物谷 Bioon.com）

Structural basis of transcription activation

doi:10.1126/science.aaf4417

Yu Feng, Yu Zhang, Richard H. Ebright

Class II transcription activators function by binding to a DNA site overlapping a core promoter and stimulating isomerization of an initial RNA polymerase (RNAP)–promoter closed complex into a catalytically competent RNAP-promoter open complex. Here, we report a 4.4 angstrom crystal structure of an intact bacterial class II transcription activation complex. The structure comprises Thermus thermophilus transcription activator protein TTHB099 (TAP) [homolog of Escherichia coli catabolite activator protein (CAP)], T. thermophilus RNAP σA holoenzyme, a class II TAP-dependent promoter, and a ribotetranucleotide primer. The structure reveals the interactions between RNAP holoenzyme and DNA responsible for transcription initiation and reveals the interactions between TAP and RNAP holoenzyme responsible for transcription activation. The structure indicates that TAP stimulates isomerization through simple, adhesive, stabilizing protein-protein interactions with RNAP holoenzyme.

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