网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

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

0
分享至

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).

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
国家一级文物上现广告字样,中国工艺美术馆回应:已反映给青海省博物馆,会有专人处理

国家一级文物上现广告字样,中国工艺美术馆回应:已反映给青海省博物馆,会有专人处理

潇湘晨报
2026-07-05 13:12:18
哈兰德已打入7球,世界杯历史首次单届3人进球7+

哈兰德已打入7球,世界杯历史首次单届3人进球7+

体坛周报
2026-07-06 06:56:12
哈兰德经纪人:我很纠结,因为我的祖国巴西和挪威将要交手

哈兰德经纪人:我很纠结,因为我的祖国巴西和挪威将要交手

懂球帝
2026-07-06 02:49:03
1.4亿巨星不敢罚点球!巴西再创尴尬历史,连续6届无缘冠军太扎心

1.4亿巨星不敢罚点球!巴西再创尴尬历史,连续6届无缘冠军太扎心

萌兰聊个球
2026-07-06 07:24:21
梅西赛后遇到阿根廷女记者索菲-马丁内斯,两人当面澄清绯闻

梅西赛后遇到阿根廷女记者索菲-马丁内斯,两人当面澄清绯闻

懂球帝
2026-07-05 23:11:06
宋喆现状:隐居县城,双眼无神生活落魄,前妻杨慧早已经过新生活

宋喆现状:隐居县城,双眼无神生活落魄,前妻杨慧早已经过新生活

草莓信箱
2026-07-03 10:46:38
曝美国知名歌手“霉霉”与其丈夫已签署婚前协议,或为“史上最复杂婚前文件之一”,篇幅堪比一部“短篇小说”

曝美国知名歌手“霉霉”与其丈夫已签署婚前协议,或为“史上最复杂婚前文件之一”,篇幅堪比一部“短篇小说”

极目新闻
2026-07-05 23:02:21
随着孙颖莎4-1,蒯曼4-3张本美和,美国大满贯女单决赛对阵已出炉

随着孙颖莎4-1,蒯曼4-3张本美和,美国大满贯女单决赛对阵已出炉

侃球熊弟
2026-07-06 05:19:41
风水轮流转!中国网友集体反对欧洲吹空调,奥巴马回旋镖砸中西方

风水轮流转!中国网友集体反对欧洲吹空调,奥巴马回旋镖砸中西方

影孖看世界
2026-07-05 16:37:55
俄乌冲突持续升级,专家:战场逻辑和重点发生改变

俄乌冲突持续升级,专家:战场逻辑和重点发生改变

极目新闻
2026-07-05 18:34:17
美国大满贯:连灭两大日本主力!蒯曼4-3复仇张本美和剑指双冠王

美国大满贯:连灭两大日本主力!蒯曼4-3复仇张本美和剑指双冠王

钉钉陌上花开
2026-07-06 06:25:35
河南一男子7年前为救3岁儿童负伤成植物人,妻子咬丈夫脚趾恢复神经将其唤醒,坚守7年终等来那句“我爱你”

河南一男子7年前为救3岁儿童负伤成植物人,妻子咬丈夫脚趾恢复神经将其唤醒,坚守7年终等来那句“我爱你”

极目新闻
2026-07-05 19:18:12
法国老头游西湖,回国后警告同胞:中国早已不是你们想象的那样了

法国老头游西湖,回国后警告同胞:中国早已不是你们想象的那样了

千秋历史
2026-06-23 19:47:16
大局已定!2026世界杯99%冠军锁定,黑马彻底无缘,只看这三队

大局已定!2026世界杯99%冠军锁定,黑马彻底无缘,只看这三队

林子说事
2026-07-06 01:38:23
踢完世界杯马上踢中超!本届世界杯唯一一个现役中超球员已火速回归

踢完世界杯马上踢中超!本届世界杯唯一一个现役中超球员已火速回归

新浪财经
2026-07-05 22:04:44
浙媒痛批泰山铁丝网,鲁媒直接打脸:对自家刀刺网选择性失明,真是双标!

浙媒痛批泰山铁丝网,鲁媒直接打脸:对自家刀刺网选择性失明,真是双标!

可达鸭面面观
2026-07-05 15:39:42
创世界杯历史!美国射手染红不禁赛 白宫施压FIFA 下轮对手:震惊

创世界杯历史!美国射手染红不禁赛 白宫施压FIFA 下轮对手:震惊

我爱英超
2026-07-06 05:09:03
管不住下半身,唱再好也没用!演唱会刚结束,任素汐就被扒光体面

管不住下半身,唱再好也没用!演唱会刚结束,任素汐就被扒光体面

调侃国际观点
2026-07-04 21:22:25
陕西一烟花厂防爆挡墙竟是空心的!谁在把“生命盾牌”当儿戏

陕西一烟花厂防爆挡墙竟是空心的!谁在把“生命盾牌”当儿戏

都市快报橙柿互动
2026-07-06 00:28:46
世界杯太残酷了:随着哈兰德双响+挪威2-1,3大前十劲旅已经出局

世界杯太残酷了:随着哈兰德双响+挪威2-1,3大前十劲旅已经出局

侧身凌空斩
2026-07-06 06:05:32
2026-07-06 08:48:49
BioArt植物 incentive-icons
BioArt植物
植物科学领域最新研究进展
9218文章数 8723关注度
往期回顾 全部

头条要闻

牛弹琴:特朗普直接插手世界杯 全世界都看得目瞪口呆

头条要闻

牛弹琴:特朗普直接插手世界杯 全世界都看得目瞪口呆

体育要闻

哈兰德绝杀巴西:效率恶魔,吃人不眨眼

娱乐要闻

霉霉婚礼照片泄露 有四人违规

财经要闻

6天赌光2.8亿 !赵薇前夫赌桌往事曝光

科技要闻

别想用软色情做智能体的跳板

汽车要闻

方程豹钛9内饰曝光 用上了长联屏设计/下半年上市

态度原创

亲子
时尚
教育
家居
数码

亲子要闻

磨易拉罐小时候玩过吗?现在长大了,没耐心了

“雕塑感穿搭”突然大火!时髦的人都在穿

教育要闻

千年老话题:高考填报志愿,专业、学校、城市,到底哪个优先?

家居要闻

传奇筑 日常诗

数码要闻

459元起 艾湃电竞推出新款DPS系列电源:金牌全模组 黑白双色

无障碍浏览 进入关怀版