發生在基因啟動子區的轉錄起始過程是基因表達調控的覈心，决定著細胞的命運，影響眾多生理病理過程。以RNA聚合酶II（Pol II）為覈心的轉錄前起始複合物（preinitiation complex，PIC），識別幾乎所有編碼基因和大部分非編碼基因的啟動子區，響應各種轉錄調控訊號，起始基因轉錄。在今年4月初，復旦大學生物醫學研究院/附屬腫瘤醫院徐彥輝團隊在Science雜誌報導了包含TFIID的PIC複合物結構，揭示了啟動子識別及PIC裝配的動態過程，該工作一經發表就得到了國內外廣大同行的高度認可。
科學家們發現一個功能非常重要的轉錄共啟動因數，命名為仲介體（Mediator），可以將不同訊號通路的轉錄啟動訊號，傳遞到PIC上啟動轉錄。對Mediator及PIC-Mediator複合物的研究是轉錄領域的覈心，對其進行結構解析和功能闡釋是分子生物學領域幾十年來的難題和期待。2021年5月6日，復旦大學徐彥輝課題組在Science雜誌上線上發表了研究長文（Research Article）“Structures of the human Mediator and Mediator-bound preinitiation complex”（《人源中介體複合物及其結合轉錄前起始複合物的結構研究》）。與以往基於TBP的結構相比，該項研究報導了首個結構與功能完整的PIC-Mediator複合物（圖1）。結構分析揭示了PIC-Mediator的動態組裝過程以及Mediator調控Pol II CTD磷酸化的分子機制。該項工作與徐彥輝團隊近期關於PIC的研究相呼，較為全面的回答了轉錄起始過程的若干重要科學問題，是分子生物學領域的重大突破性成果。
圖1:本項研究基於TFIID的PIC-Mediator複合物，為完整轉錄起始複合物PIC-Mediator（左），中間為何源組近期發表的基於TBP的PIC-Mediator，右側為徐彥輝組近期發表的基於TFIID的PIC。
該項工作發現結合PIC時Mediator發生模塊重排（modular reorganization），通過兩個相連的分子杠杆產生頭部內夾（Head-tilting）和中部下傾（Middle-down）的構象變化。作者提出了一種“CTD磷酸化門控”模型，使CTD結合在Mediator上，保證有效且持續地被磷酸化，而完全磷酸化後又使PIC與Mediator解離，允許轉錄機器離開啟動子進入延伸階段。
TFIID賦予了PIC-Mediator結構和功能的完整性。在PIC-Mediator整體結構中，Mediator和TFIID分別位於TFIIH的上下兩面，兩者共同結合並穩定TFIIH，使TFIIH中CDK7激酶和XPB移位酶在PIC-Mediator中正確定位並發揮活性。其中XPB推動啟動子DNA進入Pol II催化中心開始轉錄，而CDK7磷酸化Pol II的CTD允許Pol II聚合酶離開啟動子區進入轉錄延伸，二者的活性是轉錄起始所必須的。TFIID還賦予了PIC-Mediator組裝的高度動態性。
該項工作提供了具有生理相關性和功能完整性的PIC-Mediator複合物結構，揭示了完整PIC-Mediator複合物的動態組裝過程，提出了Mediator調控Pol II CTD磷酸化可能的分子機制。結構及其所提示的功能關聯性對後續轉錄機制研究具有重要的指導意義，將分子生物學領域相關研究推到了一個新的高度。國家蛋白質科學研究（上海）設施電鏡分析系統在冷凍電鏡數據收集方面提供了强有力的技術支援和機時保障。
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