连发4篇Sci正刊！徐彦辉揭示染色体结构及转录新机制

　　以人类为代表的高等生物进化出一系列复杂的基因表达调控机制，利用同一套基因组形成多种不同表型的细胞，实现复杂的生长发育过程。发生在基因启动子区的转录起始过程是基因表达调控的核心。通过表观遗传修饰（如启动子区DNA甲基化），染色质重塑暴露启动子DNA，在启动子区装配超大分子量转录起始复合物，细胞可在复杂的转录调控信号作用下实现基因差异性表达，从而决定细胞的命运，并影响众多的生理病理过程，对上述复杂过程的分子机制的研究，是重大前沿课题，极具挑战性。

　　我室徐彦辉研究员团队潜心染色质结构及转录多年， 于2020年和2021年，先后在国际顶级期刊Science上发表4篇该领域研究论文，取得具有重大国际影响力的系列突破，极大提升了遗传工程国家重点实验室的学术影响力。

　　01、染色体重塑机制新理解

　　染色质重塑是染色质最核心的动态调控之一，而SWI/SNF家族重塑复合物具有独特的核小体剔除的功能，是几乎所有基因转录所必需。BAF/PBAF是哺乳动物SWI/SNF家族的染色质重塑复合物，其失调存在（>20%）多种肿瘤。

　　徐彦辉研究员团队解析了首个人源BAF复合物结合核小体的近原子分辨率结构（Science，2020a，ESI高被引论文）。该结构作为哺乳动物BAF复合物的第一个冷冻电镜结构，也是SWI/SNF家族复合物结构中分辨率最高的。这一结构揭示了BAF复合物的组装以及核小体识别的机制，并且在这种独特的核小体识别模式的基础上，提出了BAF执行核小体剔除功能的机制模型。该研究入选ESI高被引论文，获得Cancer Discovery、Faculty Opinions专评。

　　研究论文题目：

　　Structure of nucleosome-bound human BAF complex

　　论文链接：https://science.sciencemag.org/content/early/2020/01/29/science.aaz9761

　　02、发现并鉴定新型转录调控复合物INTAC并揭示其调控转录的机制

　　人类RNA聚合酶Pol II的CTD结构域含有52个七肽重复，每个七肽的第五位丝氨酸（Ser5）可被CDK7磷酸化启动转录，而Ser5去磷酸化是由转录起始进入转录延伸的关键，但其机制却知之甚少。

　　徐彦辉研究员团队合作发现了一个全新的转录调控复合物INTAC，该复合物含有16个亚基，分子量近1.5 MDa（Science，2020b）。发现INTAC含有核酸内切酶和蛋白磷酸酶模块，分布在复合物两侧并分别调控转录的不同过程。其中蛋白磷酸酶模块来源于PP2A，是细胞内最主要的蛋白磷酸酶，但之前没有关于PP2A直接调控转录的报道。PP2A可去除聚合酶CTD多个位点的磷酸化进而抑制整体转录水平。而核酸内切酶剪切RNA终止启动子附近的非正常转录。该项工作证明PP2A在INTAC复合物中直接调控基因转录，将转录调控和PP2A两个重要领域建立了直接关联。获得Nature Reviews Molecular Cell Biology、Faculty Opinions专评。

　　研究论文题目：

　　Identification of Integrator-PP2A complex (INTAC), an RNA Polymerase II phosphatase

　　论文链接：

　　https://science.sciencemag.org/content/370/6520/eabb5872

　　03、揭示转录起始复合物识别启动子及动态装配的分子机制

　　转录起始过程发生在几乎所有编码基因和大部分非编码基因的启动子区，是基因表达调控的核心，以RNA聚合酶II为核心的转录起始复合物（PIC）可识别基因的启动子并进行分步骤装配，完整复合物包含50余个蛋白质，分子量达2.6MDa，起始基因的转录。其中识别启动子的TFIID复合物是整个装配过程的关键，由14种共20个亚基组成，分子量达1.3MDa。

　　徐彦辉研究员团队报道了包含TFIID的完整PIC结构，揭示了PIC如何识别不同类型启动子并完成多步装配的完整动态过程（Science，2021a）。研究发现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。TFIID招募聚合酶和多个通用转录因子逐步装配成完整PIC复合物。令人意外的是，在PIC复合物中，TBP以同样的方式弯折TATA box（存在于~15%基因）和TATA-less（存在于~85%基因）启动子，很好解释了PIC装配和基因转录为何可发生在几乎所有类型启动子上。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two-track promoter deposition模型。第一种为“三步到位”，既PIC装配过程产生Park，Neutral，Drive三种启动子构象逐步到位。第二种为“直接到位”，既在装配早期就形成Drive构象启动子并一直维持到装配完成。“三步到位”方式有可能作为检查点以避免非必要情况下的转录发生。组装完成的PIC，为转录起始做好了两方面准备。CDK7激酶磷酸化聚合酶的C端结构域（CTD），是转录起始的关键调控步骤。启动子到位后可通过PIC中解旋酶使模板链DNA进入聚合酶催化中心开始转录。该项工作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。Faculty Opinions评价该项工作：“杰出（exceptional“tour de force”）的工作回答了转录领域多个重要问题。首次提供了TFIID存在下极其复杂的人类基因转录起始过程的图景”。Trends in Biochemical Sciences 杂志发表Spotlight，Nature Structural & Molecular Biology杂志发表News and Views，推荐该研究成果。

　　研究论文题目：

　　Structural insights into preinitiation complex assembly on core promoters

　　论文链接：

　　https://science.sciencemag.org/content/372/6541/eaba8490

　　04、完整PIC-Mediator转录前起始复合物结构与功能

　　Mediator可以将不同信号通路的转录激活信号，传递到PIC上激活转录。体外实验表明，Mediator结合PIC和众多转录因子，促进启动子区PIC复合物的组装并激活TFIIH上的CDK7激酶活性，促进Pol II羧基端结构域（Pol II CTD）的磷酸化，极大的提升PIC的转录活性。Mediator由26个蛋白所组成，分子量1.5兆道尔顿（MDa）。基于TFIID的完整PIC与Mediator组成转录起始超级复合物（称为PIC-Mediator），具备转录起始过程所有因子和完整的基本转录活性（basal transcription）。几乎所有转录因子及转录调控因子都是通过作用在PIC-Mediator复合物上激活转录起始。

　　徐彦辉研究员团队报道了首个结构与功能完整的PIC-Mediator复合物（Science，2021b，cover），揭示了PIC-Mediator的动态组装过程以及Mediator调控Pol II CTD磷酸化的分子机制。解析了人源Mediator复合物近原子分辨率的冷冻电镜结构，发现Mediator的Tail模块可呈现延展构象（Extended）和弯折构象（Bent），表明Mediator本身的动态性。发现结合PIC时Mediator发生模块重排（modular reorganization），头部的HB1亚模块和Knob亚模块夹住Pol II CTD的两段多肽链，形成“三明治”结构，稳定Pol II CTD并将其送至CDK7活性中心进行磷酸化反应，提出“CTD磷酸化门控”模型，使CTD结合在Mediator上，保证有效且持续地被磷酸，而完全磷酸化后又使PIC与Mediator解离。TFIID赋予了PIC-Mediator结构和功能的完整性。在PIC-Mediator整体结构中，Mediator和TFIID分别位于TFIIH的上下两面，两者共同结合并稳定TFIIH，使TFIIH中CDK7激酶和XPB移位酶在PIC-Mediator中正确定位并发挥活性。其中XPB推动启动子DNA进入Pol II催化中心开始转录，CDK7磷酸化Pol II的CTD允许Pol II聚合酶离开启动子区进入转录延伸，二者的活性是转录起始所必须的。说明TFIID在PIC-Mediator超大转录起始复合物的组装和发挥功能中的关键作用。该研究入选当期Science杂志封面，Trends in Biochemical Sciences 杂志发表Spotlight，Nature Structural & Molecular Biology杂志发表News and Views，推荐该研究成果。

　　研究论文题目：

　　Structures of the human Mediator and Mediator-bound preinitiation complex

　　论文链接：

　　https://science.sciencemag.org/content/372/6546/eabg0635

　　个人简介

　　徐彦辉

　　研究员

　　徐彦辉，复旦大学遗传工程国家重点实验室PI、附属肿瘤医院研究员，生物医学研究院兼职教授，国家杰出青年基金获得者，教育部长江学者特聘教授，国家重点研发计划项目负责人。现任中国生物物理学会理事。长期从事转录及染色质结构调控机制，表观遗传调控，DNA损伤修复，肿瘤发生信号通路等关键蛋白质的结构与功能研究，在转录和DNA甲基化调控机制研究方面做出了一系列国际前沿的成果。发表通讯作者论文30余篇，包括Science 4篇、Nature 2篇、Cell 1篇、Mol Cell 2篇、Nat Commun 3篇、Genes Dev 2篇、Cell Res 13篇、Protein Cell 5篇等。获教育部“自然科学一等奖”、“中国优秀青年科技奖”、“谈家桢生命科学创新奖”、“树兰医学青年奖”、“中源协和生命医学奖”、“药明康德生命化学奖”、“贝时璋青年生物物理学家奖”等多个奖项。