科学家绘出表观遗传和转录起始研究“框架图”

10月7日，《科学》在线发表复旦大学教授徐彦辉课题组的研究成果。研究人员解析了包含+1核小体的PIC-Mediator复合物结构，首次展示了转录起始复合物与+1核小体的紧密结合，表明+1核小体对转录起始复合物在染色质上组装的重要调控作用，建立了表观遗传和转录起始的直接关联。

作为基因表达调控的核心，转录起始过程发生在基因启动子区，通过染色质重塑复合物剔除核小体暴露出启动子, 允许转录起始复合物（PIC）的组装， 在中介体（Mediator）的帮助下，组装成PIC-Mediator转录起始超级复合物。

PIC-Mediator是转录起始调控的核心，基因表达主要受转录因子和表观遗传调控。其中转录因子结合在增强子和启动子附近促进PIC-Mediator的招募和组装，而表观遗传对转录的调控集中在启动子下游的第一个核小体上（称为+1核小体）。与其他核小体不同，+1核小体含有组蛋白乙酰化和H3K4三甲基化修饰，特征性的组蛋白变体H2A.Z和H3.3。

目前绝大部分研究显示转录复合物与+1核小体是分离的，同时转录机器进入延伸状态才遇到并绕过+1核小体。以往的测序研究表明，多数+1核小体位于基因转录起始位点（TSS）下游约40碱基对处。受这一现象启发，研究团队构建了包含核小体和启动子的模板，根据核小体与转录起始位点（TSS）之间的距离，命名为T40N（T代表TSS，N代表核小体，数字代表距离）、T50N和T70N。

利用体外重构法，研究人员组装了分别结合三种+1核小体的PIC-Mediator转录起始超级复合物，通过结构和生化分析，发现+1核小体与PIC-Mediator复合物存在多处直接相互作用及多种作用方式，能结合 TFIIH和Mediator多个亚基，促进PIC-Mediator在染色质上的组装和转录起始活性。

PIC-Mediator更倾向于结合T40N核小体，形成较为稳定的相互作用。也可以结合T50N核小体，这时候会有一部分核小体趋向于解离，原因是核小体与复合物距离增加，结合要造成DNA的弯折产生张力部分抵消结合的吸引力。而到了T70N核小体，直接接触就没有了。体外转录起始活性实验显示，T40N核小体可以增强转录活性，而T70N则没有。

核小体与PIC-Mediator通过静电相互作用结合，没有明显的序列特异性。比如TFIIH和Mediator亚基的碱性区，在整体复合物的框架下，结合核小体DNA的酸性骨架和H2A.Z-H2B的酸性表面。这种结合的特点是特异性低，只要电荷相反并，位置临近，就有吸引力。因此包容度高，可以允许一定程度的构象变化及核小体的位置变化，使得转录机器能够结合到各种不同启动子的核小体上。

+1核小体在转录起始到转录早期延伸系列动过过程中都可能发挥作用，也是基因表达调控的核心区域。目前主流观念认为，转录机器在进入到延伸阶段才会碰到核小体，该项工作首次在分子水平上展示出了转录起始复合物与+1核小体的紧密结合，将转录起始位点附近的表观遗传信号和转录起始建立了直接关联。这将改变我们对转录起始过程和以+1核小体为代表的染色质相互关系的传统看法，为研究表观遗传和基因表达调控提供新的指导框架和结构基础。