Science| 复旦徐彦辉课题组今年已发2篇正刊，来自结构生物学

TOP前言

“TOP大学来了”小编按，6月4日，复旦大学生物医学研究院徐彦辉课题组在全球顶级科研期刊《Science》杂志发表了题为“Structures of the human Mediator and Mediator-bound preinitiation complex”的论文，系统的解析出人类中介体和中介体结合的起始前复合物结构。“TOP数据库”显示，这是徐彦辉课题组2021年度发表的第2篇正刊。

6月4日

Science

“TOP大学来了”小编按，6月4日，复旦大学生物医学研究院徐彦辉课题组全球顶级期刊《Science》在线发表了题为“Structures of the human Mediator and Mediator-bound preinitiation complex”（《人源中介体复合物及其结合转录前起始复合物的结构研究》）的论文，系统的解析出人类中介体和中介体结合的起始前复合物结构。

该项工作与徐彦辉团队近期关于PIC的研究相呼应，较为全面地回答了转录起始过程的若干重要科学问题，是国内分子生物学领域的又一重大突破性成果。

该项工作提供了具有生理相关性和功能完整性的PIC-Mediator复合物结构，揭示了完整PIC-Mediator复合物的动态组装过程，提出了Mediator调控Pol II CTD磷酸化可能的分子机制。结构及其所提示的功能关联性对后续转录机制研究具有重要的指导意义，将分子生物学领域相关研究推到了一个新的高度。

本项研究基于TFIID的完整PIC-Mediator复合物（左），中间为何源组近期发表的基于TBP的PIC-Mediator，右侧为徐彦辉组今年4月份发表的基于TFIID的PIC。

复旦大学附属肿瘤医院助理研究员陈曦子（复旦大学生物医学研究院2019届博士毕业生）、阴晓彤（复旦大学生命科学院2018届博士毕业生），复旦大学生物医学研究院2016级博士生李佳蓓、2016级博士生武子涵、2017级博士生戚轶伦、2017级博士生王鑫鑫为本文共同第一作者，徐彦辉为通讯作者。

4月1日

Science

“TOP大学来了”小编按，4月1日，复旦大学生物医学研究院徐彦辉课题组在全球顶级期刊《Science》上在线发表了研究长文（Research Article）《结构研究揭示转录前起始复合物识别启动子及动态组装机制》（“Structural insights into preinitiation complex assembly on core promoters”）。该项研究首次报道了包含TFIID的完整转录前起始复合物（PIC）结构，揭示了PIC如何识别不同类型启动子并完成多步组装的完整动态过程。

“徐彦辉团队在Science杂志发表的论文中，解析了25种复合物冷冻电镜结构，涵盖了不同PIC组装阶段、不同功能状态及启动子类型，全面地回答了转录起始阶段若干重要的科学问题。”中国科学院院士饶子和在点评中表示。

Science杂志的审稿专家认为，“该研究成果对今后几年的真核转录起始调控研究有指导性意义，一经发表，必将成为经典”“这项研究非常优秀，标志着转录调控领域的巨大进展”“本文揭示的组装机制引人关注，作者所做的大量工作值得赞赏”。

该工作也是中国科学家继解析剪接体复合物之后在转录调控领域的又一教科书级的经典工作。这一研究成果的发布，也标志着中国科学家在基因转录调控领域的基础科学研究中取得世界级顶尖成果。

为实现复杂的基因表达调控，人体细胞中进化出以RNA聚合酶II（Pol II，以下简称聚合酶）为核心的转录前起始复合物（preinitiation complex，PIC），识别几乎所有编码基因和大部分非编码基因的启动子区，响应各种转录调控信号，起始基因转录。

目前的分子生物学教科书中对转录起始模型是TBP特异性识别并弯曲含有TATA box的启动子（TATA box promoter），招募聚合酶并组装PIC启动转录。然而，有超过85%的人类基因启动子不含有TATA box，称为TATA-less启动子，并且几乎所有的基因转录过程都需要完整TFIID复合物，其功能并不能够被TBP所替代。因此，尽管已有大量基于TBP的PIC复合物结构研究，包含TFIID的完整PIC是如何在不同类型启动子上进行组装的，一直没有得到阐明。对于超过85%以上基因，转录起始是如何发生的，是转录领域长期未能解决的难题。

图注：PIC动态组装的模式图

TFIID识别启动子（内圈）以及PIC对于不同启动子类型的两种组装方式（外圈）。P、N、D分别代表Park、Neutral和Drive三种启动子构象。右图：三种复合物状态中启动子构象的比对（红色：cPIC，黄色：mPIC, 绿色：hPIC）。下图：cPIC组装过程中在启动子上PIC模块进行匹配（matched modular separation）和重定位（repositioned modular separation）过程模式图。模式图中的结构均来源于本研究工作。DBE：TFIID结合模块（TFIID-binding element）

徐彦辉课题组经过多年努力，利用冷冻电镜方法，解析了PIC组装过程中所有关键组装步骤和状态的复合物结构。为研究PIC对各种不同类型启动子的识别，研究人员在涵盖所有启动子类型（三种）的8个启动子及5个突变启动子上，组装PIC复合物并进行了结构分析。25个复合物结构提供了PIC组装的不同阶段，不同功能状态，不同启动子类型的全覆盖结构信息。研究分析发现：TFIID含有多个DNA结合区，具有较高的序列包容度，可识别各种不同类型的基因启动子；针对不同类型启动子，PIC通过两种方式将启动子推动至聚合酶催化中心上方准备转录，提出“双路径启动子推动”模型（two-track promoter deposition）；处于Drive构象的完整PIC，为转录起始做好了两方面准备。这一发现还从分子层面颠覆了对TBP只结合TATA box的传统看法，很好解释了PIC组装和基因转录为何可发生在几乎所有基因的启动子上。

该项工作是近年来转录领域的重要突破，在分子水平上展示了高度动态的转录起始过程，为后续研究基因表达调控奠定了理论基础。

据悉，复旦大学附属肿瘤医院助理研究员陈曦子（复旦大学生物医学研究院2014级博士）、复旦大学生物医学研究院2017级博士生戚轶伦、2016级博士生武子涵、2020级博士生王鑫鑫、2016级博士生李佳蓓、2017级博士生赵丹、复旦大学附属肿瘤医院副研究员侯海峰为本文共同第一作者，徐彦辉为通讯作者。

11月27日

Science

“TOP大学来了”小编按，2020年11月27日，复旦大学附属肿瘤医院/生物医学研究院徐彦辉团队与陈飞团队合作研究成果在全球顶级科研期刊《科学》（Science）主刊发表了题为《一种全新转录调控复合物 INTAC——RNA聚合酶II磷酸酶的鉴定》（“Identification of Integrator-PP2A complex (INTAC), an RNA Polymerase II phosphatase”）的研究论文。

该项研究发现了一个全新的转录调控复合物 INTAC（包含16个蛋白亚基，总分子量近1.5兆道尔顿），解析了INTAC的高分辨冷冻电镜结构，揭示了INTAC作为一个双功能酶同时具备RNA剪切和去磷酸化活性，可去除Pol II的多个CTD磷酸化位点发挥转录抑制功能。该项研究首次发现PP2A这一最重要的磷酸酶可直接调控转录，突破了以往的相关认知，拓展了磷酸酶与转录调控这两个重要研究领域的研究范畴。

Integrator复合物含有14个亚基（分子量1.4兆道尔顿），能够通过结合Pol II剪切多种RNA并调控转录。研究团队在开展Integrator结构研究过程中，发现Integrator和PP2A核心酶（PP2A-AC）有较强的相互作用。通过系统生化和结构研究，验证了二者形成稳定的功能复合物，并将其命名为INTAC（Integrator-containing PP2A-AC），属于非经典的PP2A全酶复合物（见下图右上）。

图注：INTAC复合物的分子组成和工作模型。（左上）经典的蛋白磷酸酶2（PP2A全酶）的分子组成示意图，A、B和C分别代表PP2A全酶的结构亚基，调节亚基和催化亚基。PP2A全酶可间接调控转录。（右上）INTAC复合物的分子组成示意图和电镜密度图。复合物由四个模块组成，可直接调控转录。（底部）INTAC复合物结合RNA聚合酶Pol II并去除Pol II CTD的第2、5和7位丝氨酸的磷酸化，进而抑制转录过程。而磷酸酶活性的损失则增加了Pol II磷酸化的水平，从而导致INTAC目标基因失调的转录。

PP2A是人体中最重要的蛋白质磷酸酶之一，在某些组织中其含量甚至达到总蛋白量的1%。在细胞内调控多种生命过程并参与多种疾病的发生，但以往没有PP2A直接参与转录调控的报道。研究团队解析了INTAC的高分辨结构（整体分辨率3.5 Å），发现核酸酶（Endonuclease）和磷酸酶（Phosphatase）这两个催化模块分布在核心的骨架模块两侧。进一步的生化研究发现，INTAC中的PP2A-AC去除Pol II CTD磷酸化并抑制转录活性。其中Integrator作为非经典的调控亚基，招募Pol II，使PP2A-AC发挥去磷酸化活性。INTAC的磷酸酶与核酸酶的活性分别调控转录的不同过程，即核酸酶活性主要调控基因的启动子近端终止，而去磷酸化酶活性则能够同时抑制暂停Pol II的释放和转录延伸。

总的来说，该项工作明确了PP2A直接调控基因转录，不仅拓展了转录调控和PP2A相关领域的研究边界，还对靶向PP2A的药物开发提出了重要的指导。特别需要指出的是，以往基于PP2A的靶向药物开发都只关注其参与信号转导调控的作用，后续的靶向药物开发就需要从该研究中获得启示考虑到其直接调控转录的功能。

人物简介

徐彦辉，男，现任复旦大学生物医学研究院研究员\博士生导师，复旦大学附属肿瘤医院兼职教授。2004年获国家杰出青年科学基金资助 ，2015年获“谈家桢生命科学奖” ，2016年获中国优秀青年科技人才奖。

本科就读于清华大学生物科学与技术系，博士毕业于清华大学（饶子和教授），普林斯顿大学博士后（施一公）。

审核、编辑：大可

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