最新研究 科学家揭示负责细胞中基因表达的特殊复合体的3D结构

近日，一篇发表在国际杂志Science上题为“Structure of the human Mediator-bound transcription pre-initiation complex”的研究报告中，来自美国西北大学等机构的科学家们通过研究首次在人类细胞内部观察到了负责调节基因表达的多个亚单位机器。

研究者表示，称之为Med-PIC（介导子所结合的转录前起始复合物，Mediator-bound pre-initiation complex）的复合体是决定哪些基因被激活以及哪些基因被抑制的关键决定子，介导子有助于将复合体的其余部分（RNA聚合酶II和一般的转录因子）定位在细胞想要转录的基因起始位置。随后研究人员使用低温电镜技术（cryo-EM）以高分辨率对这种复合体进行可视化分析，这就能够帮助更深入地理解这种复合体发挥作用的分子机制，由于这种复合体在多种人类疾病发生过程中扮演关键角色，因此理解其结构组成对于开发有效治疗这些疾病的疗法至关重要，这些疾病包括癌症、神经变性疾病、HIV和代谢性疾病等。

研究者Yuan He表示，在基因表达的背景下，这种“机器”对于现代分子生物学的每一个分支都是非常基本的，以3D方式可视化其结构或能帮助我们回答基本的生物学问题，比如DNA是如何转录为RNA的。对其结构进行观察或能帮助研究者理解其工作的机制，这就好像拆开一个普通的家用电器一样，看看所有东西是如何组合在一起的，如今研究人员能够理解复合体中的蛋白质是如何结合在一起并发挥功能的。这项研究中，研究人员首次以3D的方式观察到了人类细胞中的介导子（Mediator）复合体的结构。

著名的生物化学家Roger Kornberg于1990年发现了酵母中的介导子复合体，随后于2006年获得了诺尔贝化学奖，但介导子包含了令人生畏的26个亚单位，其与启动复合体结合后共有56个，研究人员直到现在才获得了人类版本的高分辨率图像。Roger Kornberg表示，这是一个在技术上相当具有挑战性的研究项目，这些复合体非常稀缺，其需要花费数百升的细胞才能够获得少量蛋白复合体。

这项研究中，当研究者He及其同事将样本置于单层氧化石墨烯上时，发现了意想不到的结果，基于这种支撑，石墨烯片就能将成像所需的样品量降到最低，而与使用的典型支撑物—无定形碳相比，石墨烯或能支持更高分辨率成像的信噪比。当准备好样本后，研究人员使用冷冻电镜技术来确定蛋白质的3D形状，这些蛋白质通常情况下要比人类头发的宽度小数千倍，该技术的原理就是通过在一个快速冷冻的样本上发射一束电子来拍摄多张二维图像。这项研究中，研究人员捕获了数十万张Med-PIC复合体的图像，随后他们利用计算机方法来重建了其3D图像。

研究者Talyzina解释道，解决这个复杂问题就好像组装一个拼图一样，其中一些亚单位已经能从其它实验中得知，但我们并不清楚这些碎片是如何组装在一起或相互作用的，有了这一最终的结构，我们终于能够观察到这个完整的复合体并了解其是如何进行组装的了。由此所产生的图像显示，Med-PIC复合体的是一个扁平细长的结构，其长度为45纳米，此外研究人员还惊讶地发现，介导子相对于复合体的其它部分会移动，其会在一个铰链点处于RNA聚合酶II结合。介导子就好像钟摆一样，下一步研究人员还将继续深入研究理解这种灵活性意味着什么，研究者认为这或许会对复合体内关键酶类的活性产生重要的影响效应。

参考资料：

【1】R. Abdella，A. Talyzina，S. Chen， et al. Structure of the human Mediator-bound transcription preinitiation complex， Science 11 Mar 2021：eabg3074 doi：10.1126/science.abg3074

【2】Researchers reveal 3D structure responsible for gene expression

by Amanda Morris， Northwestern University