作者丨Patrick Cramer
編譯、整理 | 奚望
基因表達調控決定了細胞的特徵和功能。在一個物種發育的各個階段，都有不同的基因被激活或抑制，形成不同類別的細胞。而基因的表達需要在轉錄水平上被精確地調控。因此轉錄調控機理一直是分子生物學研究的中心之一。轉錄過程基於RNA聚合酶。RNA聚合酶通過識別啟動子序列，打開DNA雙螺旋起始轉錄。RNA聚合酶總共有三種：1）Pol I，合成大核糖體RNA（rRNA）的前體；2）Pol II，合成信使RNA（mRNA）和大量非編碼RNA；3）Pol III，合成轉運RNA（tRNA）和小核糖體RNA。他們各有不同的協同因子和作用機理。
2019年8月19日，德國Max Planck研究所Patrick Cramer在Nature雜誌上發表了綜述文章Organization and regulation of gene transcription，主要介紹了當下對於真核生物基因調控的觀點，聚焦在轉錄的起始（initation）和延伸（elongation）過程。作者還強調了近期關於Pol II在細胞核中與其他因子動態聚合的研究，並提出了一個模型，來解釋Pol II是如何依靠磷酸化修飾在起始和延伸中在不同的因子中聚合穿梭。
啟動子和增強子
轉錄的第一步是由RNA聚合酶結合基因起始位點的啟動子。正常的染色質結構和核小體結構會阻止這種蛋白因子同DNA的接觸，但是活躍啟動子區域通常脫離了核小體，因此呈開放構象。Pol II一般可以識別兩種啟動子：一種是含CpG島序列的啟動子，通常出現在housekeeping基因的周圍；另一種是含TATA盒的啟動子，通常出現在細胞特異性表達的基因周圍。在某一種特定細胞中，只有一部分啟動子會呈活躍狀態，這是由於一些特定的轉錄因子通過識別特定序列的方式結合在了這些啟動子之上。而轉錄因子還可以同增強子結合，從而利用離啟動子很遠的增強子序列調控轉錄過程。
啟動子識別
啟動子是序列保守的DNA片段。事實上，RNA聚合酶本身並不能識別啟動子序列，是其他的轉錄起始因子作為橋將RNA聚合酶和啟動子連接起來。RNA聚合酶同這些因子形成
起始前複合物（pre-initationation complex，PIC）。三種RNA聚合酶的PIC具有相似的結構。 Pol II PIC主要包含第二類起始因子。其中TBP可以識別TATA box，然後結合TFIIB，接著招募RNA聚合酶以及TFIIF。TFIIB就是起到類似橋作用的因子，它還可以激活RNA的合成。然而很多的啟動子缺乏TATA box這樣明顯的可識別序列，因此也有人認為是起始因子中的TFIID識別+1位置的核小體。啟動子的識別也可能同周圍環境的DNA物理性質有關，例如DNA的可彎曲性等等，這也可以解釋為什麼PIC組成在不同啟動子上有所差別。
啟動子打開
PIC的一個關鍵功能是將DNA雙鏈打開。在這裡，不同的RNA聚合酶有不同的機制。Pol I和Pol III將DNA識別和打開兩個過程同時進行，而Pol II則需要額外的DNA轉位酶XPB的幫助。XPB通過水解DNA產生能量，將DNA推到Pol III的中心。因此Pol III的轉錄起始多了一層額外的調控機制。
起始調控
PIC的形成在每一種RNA聚合酶系統中都受到調控。酵母Pol I的PIC需要Rrn3參與才能形成，而Rrn3的磷酸化則會阻止它同PIC結合。相應的，人類TIF-IA也起到相似的作用。Pol II PIC的形成則受到中介複合物（Mediator）的調控。Mediator有保守的頭和尾結構域，它與Pol II和其他起始因子結合，尾部還可以同活躍的轉錄因子結合。Mediator可以激活TFIIH的CDK7結構域，從而磷酸化Pol II的CTD結構域，促使延伸過程順利進行。
延伸調控
當RNA合成到特定長度的時候，延伸複合物就會形成。延伸複合物中的RNA聚合酶通常包含著一圈DNA-RNA雜交雙螺旋。RNA每一步的合成都需要經過關閉活躍位點-形成磷酸二酯鍵-移動到模版鏈的下一位點。特定的DNA序列會導致轉錄的暫停（pausing），使得聚合酶反向移動或者轉錄終止。Pol ll常常會在核小體前發生暫停，而TFllS可以將其解救出來。
Pol II的暫停步驟也是受到精確調控的。暫停一般發生在轉錄起始位點下游50bp的位置上。DSIF和NELF可以穩定暫停過程中的Pol II，而從暫停中釋放需要激酶CDK9（P-TEFb的一個因子）的作用。P-TEFb將DSIF，NELF和CTD都磷酸化，從而釋放出一個活躍的轉錄複合物。磷酸化的CTD會接著募集很多其他因子形成延伸複合物，並對RNA剪切，組蛋白修飾和染色質重構都產生影響。
啟動子附近的暫停會對RNA轉錄本產生的數量起到限制。而轉錄因子在起始和延伸兩個階段都能起到作用。例如，原癌基因MYC就可以促進Pol II從暫停中釋放。
轉錄聚合
以上關於轉錄起始和延伸的討論涉及到了大量的調控因子。一個自然的問題就是，這些因子是如何快速地出現在一起，並將起始和延伸的過程區分開來的呢？顯微鏡研究標明，Pol II的轉錄常常發生在細胞核內的一些“節點”中，而這些轉錄的焦點可能是由於相分離（phase separation）機制形成的。Pol II和Mediator在轉錄位點形成聚合物，Mediator和BRD4在增強子簇附近形成聚合物，而轉錄因子可以用它們的反式激活結構域將這些聚合物吸引到一起。作者將它們成為“啟動子聚合物”，因為聚合使得轉錄相關因子在空間上的集中和運送變得更容易。
CDK7促發的CTD的磷酸化會使CTD脫離由相分離形成的聚合物。但是磷酸化的CTD卻可以和P-TEFb形成另一種液滴狀相分離複合物，從而進入到延伸聚合物中。作者將這種含有磷酸化Pol II的聚合物成為“基因體聚合物”。
轉錄組織的模型
作者據此提出了一種模型，即轉錄因子，激活的起始因子，協同因子和未磷酸化的Pol II形成啟動子複合物。而磷酸化的Pol II，新生RNA，衍生因子，RNA處理因子和協同因子則形成暫時性的基因體聚合物。起始聚合物使轉錄起始快速發生，而延伸聚合物則負責RNA延伸和修飾。這種機制保證了起始和延伸過程的分離。這個模型可以幫助解釋細胞是如何在分化中迅速地改變基因表達，因為起始聚合物是動態的，並且依賴於細胞特異性的轉錄因子。一個起始聚合物也可以服務於多個活躍的基因，所以一個啟動子可以影響多個基因的表達。作者認為，
聚合物模型（相分離）可以成為接下來對轉錄分子生物學研究的框架模型。原文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1517-4
製版人：小嫻子
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