科學家繪出表觀遺傳和轉錄起始研究“框架圖”

10月7日，《科學》在線發表復旦大學教授徐彥輝課題組的研究成果。研究人員解析了包含+1核小體的PIC-Mediator復合物結構，首次展示了轉錄起始復合物與+1核小體的緊密結合，表明+1核小體對轉錄起始復合物在染色質上組裝的重要調控作用，建立了表觀遺傳和轉錄起始的直接關聯。

作為基因表達調控的核心，轉錄起始過程發生在基因啟動子區，通過染色質重塑復合物剔除核小體暴露出啟動子, 允許轉錄起始復合物（PIC）的組裝， 在中介體（Mediator）的幫助下，組裝成PIC-Mediator轉錄起始超級復合物。

PIC-Mediator是轉錄起始調控的核心，基因表達主要受轉錄因子和表觀遺傳調控。其中轉錄因子結合在增強子和啟動子附近促進PIC-Mediator的招募和組裝，而表觀遺傳對轉錄的調控集中在啟動子下游的第一個核小體上（稱為+1核小體）。與其他核小體不同，+1核小體含有組蛋白乙酰化和H3K4三甲基化修飾，特征性的組蛋白變體H2A.Z和H3.3。

目前絕大部分研究顯示轉錄復合物與+1核小體是分離的，同時轉錄機器進入延伸狀態才遇到并繞過+1核小體。以往的測序研究表明，多數+1核小體位于基因轉錄起始位點（TSS）下游約40堿基對處。受這一現象啟發，研究團隊構建了包含核小體和啟動子的模板，根據核小體與轉錄起始位點（TSS）之間的距離，命名為T40N（T代表TSS，N代表核小體，數字代表距離）、T50N和T70N。

利用體外重構法，研究人員組裝了分別結合三種+1核小體的PIC-Mediator轉錄起始超級復合物，通過結構和生化分析，發現+1核小體與PIC-Mediator復合物存在多處直接相互作用及多種作用方式，能結合 TFIIH和Mediator多個亞基，促進PIC-Mediator在染色質上的組裝和轉錄起始活性。

PIC-Mediator更傾向于結合T40N核小體，形成較為穩定的相互作用。也可以結合T50N核小體，這時候會有一部分核小體趨向于解離，原因是核小體與復合物距離增加，結合要造成DNA的彎折產生張力部分抵消結合的吸引力。而到了T70N核小體，直接接觸就沒有了。體外轉錄起始活性實驗顯示，T40N核小體可以增強轉錄活性，而T70N則沒有。

核小體與PIC-Mediator通過靜電相互作用結合，沒有明顯的序列特異性。比如TFIIH和Mediator亞基的堿性區，在整體復合物的框架下，結合核小體DNA的酸性骨架和H2A.Z-H2B的酸性表面。這種結合的特點是特異性低，只要電荷相反并，位置臨近，就有吸引力。因此包容度高，可以允許一定程度的構象變化及核小體的位置變化，使得轉錄機器能夠結合到各種不同啟動子的核小體上。

+1核小體在轉錄起始到轉錄早期延伸系列動過過程中都可能發揮作用，也是基因表達調控的核心區域。目前主流觀念認為，轉錄機器在進入到延伸階段才會碰到核小體，該項工作首次在分子水平上展示出了轉錄起始復合物與+1核小體的緊密結合，將轉錄起始位點附近的表觀遺傳信號和轉錄起始建立了直接關聯。這將改變我們對轉錄起始過程和以+1核小體為代表的染色質相互關系的傳統看法，為研究表觀遺傳和基因表達調控提供新的指導框架和結構基礎。