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乔治亚州立大学，加州大学伯克利分校和西北大学的研究人员为基因表达的关键早期事件提供了前所未有的分子观点，这是一个对所有生命至关重要的过程。低温电子显微镜(cryo-EM)是一种在低温下研究样品的技术，结合最先进的计算模型，使研究人员能够以近原子分辨率显示大型转录预启动复合物(PIC)。PIC是一种蛋白质组装，可定位酶RNA聚合酶，从而可以开始转录。
新结构揭示了整个转录起始过程中PIC的顺序构象变化，包括识别基因转录开始的DNA启动子区域，打开该启动子区域并启动转录。该研究发表在Nature杂志上。基因由DNA组成，它是我们所有遗传信息的储存库。为了使用基因中编码的信息，RNA聚合酶必须以信使RNA的形式复制。复制过程称为转录，是生命必需的核心活动之一。
在这种严格控制的过程开始时，RNA聚合酶和一般转录因子蛋白在DNA的特定位点聚集形成PIC。需要PIC组装来打开启动子的双链DNA螺旋，将DNA定位在RNA聚合酶的活性位点并开始转录过程。然后使用信使RNA转录物产生蛋白质，即人体的构建块。
“本文提供了有关参与转录过程早期阶段的复合物的详细结构信息，”乔治亚州立大学化学副教授Ivaylo Ivanov说。“我们探索RNA聚合酶和一般转录因子为打开转录泡并开始转录过程所采取的步骤。这是一个非常重要的系统，以前无法通过晶体学或任何其他结构方法获得。这是人类PIC装配的第一次近原子Cryo-EM重建。“
化学交联和结晶学提供了来自真核生物如酵母的部分RNA聚合酶复合物的一瞥，但这些技术无法解决整个PIC复合物的结构。PIC导致DNA解旋的事件和过程以及转录泡的形成，转录泡是在DNA双链的一部分展开时在转录过程中发生的分子结构，这一点尚不清楚。
为了构建PIC复杂的详细原子模型，Ivanov和他的团队应用了综合分子建模技术。计算依赖于现代超级计算技术，该技术可通过美国国家科学基金会极端科学和工程发现环境计划和国家能源研究科学计算中心获得。研究人员表明，互补技术的明智组合 - 分子动力学灵活拟合和原子坐标的精细化与Phenix晶体学软件包 - 导致模型在相同分辨率范围内的质量与晶体结构相当。
研究人员在三种不同的功能状态下捕获了人类PIC：1)与启动子区域的DNA双螺旋结合的闭合状态，2)与转录泡相关的开放状态和3)初始转录复合物准备执行信使RNA合成的化学。他们还能够可视化人类PIC组件的许多先前未确定的组件。该研究结果揭示了一种称为TFIIH的转录因子的完整亚基组织，其在打开启动子区域中具有关键作用。TFIIH证明了PIC组件中最难解决的部分之一。
“我们之前有许多新的可视化结构元素，这些元素从未为人类复合体建立过，”伊万诺夫说。PIC的封闭，开放和初始转录状态之间的比较提供了对DNA参与，启动子融合和转录泡稳定化过程的新机制见解“如果没有电子显微镜(EM)的进步并且没有综合计算建模的最新进展，这一切都不可能实现，”伊万诺夫说。“近乎原子分辨率EM结构的能力最近才通过直接电子探测器技术和新的强大计算算法相结合来分析图像。“在过去的几年里，Cryo-EM经历了一场革命，首次实现了与晶体学相当的分辨率。这为结构生物学领域开辟了巨大的机会，可以在原子细节上研究大分子复合物而无需产生蛋白质晶体。“
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