两篇Science揭示了RNA聚合酶II延伸通过基因内部核小体的机制

撰文 | 陈哲 博士

责编丨迦溆

真核细胞的基因组DNA以核小体为单位组装压缩成染色质，每一个核小体由组蛋白八聚体和在其上缠绕1.65圈的147 bp DNA组成【1】。核小体的存在，保护了基因组DNA，但也因为其限制了DNA序列的可接近性，影响到了几乎所有的基于DNA的分子生物学过程，例如复制、修复、重组以及转录等【2, 3】。

核小体中的组蛋白与DNA之间有多处特定的相互作用，这种相互作用会阻碍DNA或RNA聚合酶沿DNA链的延伸。体外的实验研究发现，核小体会对RNA聚合酶II的转录延伸造成巨大的困难【4,5】，但是，RNA聚合酶II在体内以染色质为模板的转录延伸速率却与其在裸露的DNA模板上的延伸速率相当【6】，这是如何做到的呢？早先的大量研究发现，组蛋白修饰、组蛋白伴侣以及染色质重塑因子等均能够帮助RNA聚合酶II克服核小体所带来的转录延伸障碍【7】。但是，关于RNA聚合酶II复合物究竟如何通过核小体，能否通过组蛋白八聚体完整的核小体，目前并不清楚。

RNA聚合酶II与核小体。图片来源于：Hodges/UC Berkeley

最近，日本东京大学的Hitoshi Kurumizaka研究组和日本理化研究所的Shun-ichi Sekine研究组合作发表在Science上的两项工作，通过解析转录中的RNA聚合酶II-核小体复合物的电镜结构，揭示了RNA聚合酶II通过核小体的过程细节。

第一项工作Structural basis of the nucleosome transition during RNA polymerase II passage发表于2018年10月4日，研究者通过解析RNA聚合酶II-核小体的电镜结构，获得了RNA聚合酶II暂停在核小体模板上的4个结构快照。这四个位置分别在SHL(-6)、SHL(-5)、SHL(-2)和SHL(-1)处（SHL：the superhelical location）（下图）。

这些结构中RNA聚合酶II转录延伸的暂停都是由于组蛋白与特定位置DNA接触形成的阻碍作用所造成的。这些结构快照串联起来，共同揭示出了RNA聚合酶II转录通过核小体的过程细节：RNA聚合酶II复合物将DNA链从组蛋白表面剥离下来，同时伴随着RNA的转录延伸，在这一过程中核小体中的组蛋白八聚体能够保持完整状态（视频1，强烈推荐点击视频浏览细节）。而在这之前的普遍观点是：RNA聚合酶II通过核小体需要有一对H2A/H2B二聚体从组蛋白八聚体上解离下来【8,9】。

两个月后，2018年12月6日的Molecular Cell上发表了一篇题为Frozen in Transcription: Cryo-EM Structures of Pol II Transcribing through a Nucleosome的Spotlight，高度评价了这项工作对于我们认识染色质条件下的RNA聚合酶II的转录延伸的重要意义【10】。

第二项工作Structural insight into nucleosome transcription by RNA polymerase II with elongation factors发表于2019年2月7日，研究者在第一项工作的基础上，往RNA聚合酶II-核小体转录复合物体系中加入了延伸因子Elf1和Spt4/5。生化实验显示：在Spt4/5和TFIIS的存在下，RNA聚合酶II能够更容易的转录通过整个核小体；而Elf1和TFIIS的存在只能微弱的增强RNA聚合酶II转录延伸通过核小体，但是Elf1和Spt4/5共同加入后对RNA聚合酶II转录延伸通过核小体具有协同增强作用。

通过对延伸复合物电镜结构的解析，研究者获得了RNA聚合酶在延伸因子帮助下暂停在SHL(-1)和SHL(-5)处的电镜结构。结构结果显示：Elf1、Spt5以及Spt4共同组成了结构域簇，这个结构域簇干涉阻碍了RNA聚合酶II与核小体之间的相互作用，使得RNA聚合酶II与核小体间的相对位置发生了改变，更易于延伸，并且这个结构域簇作为分离器阻碍了转录位点附近DNA链与核小体组蛋白间的相互作用，从而促进了RNA聚合酶II转录延伸通过核小体（下图）。

这两项工作揭示了RNA聚合酶II在转录延伸因子的帮助下克服阻碍通过核小体的过程细节（下图）。此外，通过对有无延伸因子情况下，被剥离掉DNA的核小体与外界DNA的相互作用的比较，提示了组蛋白转移（histone transfer）以及RNA聚合酶II转录延伸通过核小体后，核小体在组蛋白伴侣帮助下重新组装的可能机制。

与这两项工作同一时期，2018年12月21日，德国马普研究所的Patrick Cramer研究组在Nature Communications上发表了题为Structure of transcribing RNA polymerase II-nucleosome complex的工作【11】。这篇文章获得和解析了RNA聚合酶II暂停在核小体SHL(-5)处的电镜结构，但是它只有这一个结构快照，提供的动态机制信息相对少很多。

值得注意的是，基因转录起始位点处的第一个核小体（the +1 nucleosome）对RNA聚合酶II的阻碍作用远比基因内部的核小体的阻碍作用大【12】，而这两项工作揭示的是RNA聚合酶II延伸通过基因内部核小体的机制。虽然Patrick Cramer研究组之前的工作已经解析了启动子临近区暂停的RNA聚合酶II复合物的电镜结构【13】，但是关于RNA聚合酶II如何通过第一个核小体的过程细节，还有待进一步的研究。

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

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

制版人：珂

参考文献

1. Luger, K., Mader, A. W., Richmond, R. K., Sargent, D. F. & Richmond, T. J. Crystal structure of the nucleosome core particle at 2.8 A resolution. Nature 389, 251-260, doi:10.1038/38444 (1997).

2. Lai, W. K. M. & Pugh, B. F. Understanding nucleosome dynamics and their links to gene expression and DNA replication. Nature reviews. Molecular cell biology 18, 548-562, doi:10.1038/nrm.2017.47 (2017).

3. Teves, S. S., Weber, C. M. & Henikoff, S. Transcribing through the nucleosome. Trends in biochemical sciences 39, 577-586, doi:10.1016/j.tibs.2014.10.004 (2014).

4. Izban, M. G. & Luse, D. S. Factor-stimulated RNA polymerase II transcribes at physiological elongation rates on naked DNA but very poorly on chromatin templates. The Journal of biological chemistry 267, 13647-13655 (1992).

5. Bondarenko, V. A. et al. Nucleosomes can form a polar barrier to transcript elongation by RNA polymerase II. Molecular cell 24, 469-479, doi:10.1016/j.molcel.2006.09.009 (2006).

6. Singh, J. & Padgett, R. A. Rates of in situ transcription and splicing in large human genes. Nature structural & molecular biology 16, 1128-1133, doi:10.1038/nsmb.1666 (2009).

7. Kulaeva, O. I., Hsieh, F. K., Chang, H. W., Luse, D. S. & Studitsky, V. M. Mechanism of transcription through a nucleosome by RNA polymerase II. Biochimica et biophysica acta 1829, 76-83, doi:10.1016/j.bbagrm.2012.08.015 (2013).

8. Kireeva, M. L. et al. Nucleosome remodeling induced by RNA polymerase II: loss of the H2A/H2B dimer during transcription. Molecular cell 9, 541-552 (2002).

9. Arimura, Y., Tachiwana, H., Oda, T., Sato, M. & Kurumizaka, H. Structural analysis of the hexasome, lacking one histone H2A/H2B dimer from the conventional nucleosome. Biochemistry 51, 3302-3309, doi:10.1021/bi300129b (2012).

10. Noe Gonzalez, M., Conaway, R. C. & Conaway, J. W. Frozen in Transcription: Cryo-EM Structures of Pol II Transcribing through a Nucleosome. Molecular cell 72, 802-804, doi:10.1016/j.molcel.2018.11.027 (2018).

11. Farnung, L., Vos, S. M. & Cramer, P. Structure of transcribing RNA polymerase II-nucleosome complex. Nature communications 9, 5432, doi:10.1038/s41467-018-07870-y (2018).

12. Weber, C. M., Ramachandran, S. & Henikoff, S. Nucleosomes are context-specific, H2A.Z-modulated barriers to RNA polymerase. Molecular cell 53, 819-830, doi:10.1016/j.molcel.2014.02.014 (2014).

13. Vos, S. M., Farnung, L., Urlaub, H. & Cramer, P. Structure of paused transcription complex Pol II-DSIF-NELF. Nature 560, 601-606, doi:10.1038/s41586-018-0442-2 (2018).