科学通报|真核生物RNA聚合酶II转录前起始复合物的结构研究进展

摘要：近日，复旦大学徐彦辉课题组在《科学通报》发表了题为“真核生物RNA聚合酶II转录前起始复合物的结构研究进展”的评述文章，系统总结了Pol II的转录起始包括转录前起始复合物的启动子识别、分步组装、转录起始、转录激活等多个过程的最新结构研究进展，并对转录起始调控

近日，复旦大学徐彦辉课题组在《科学通报》发表了题为“真核生物RNA聚合酶II转录前起始复合物的结构研究进展”的评述文章，系统总结了Pol II的转录起始包括转录前起始复合物的启动子识别、分步组装、转录起始、转录激活等多个过程的最新结构研究进展，并对转录起始调控研究领域当前亟待解决的问题和未来的研究方向进行了总结和展望。

基因转录起始作为生命活动的核心调控环节，其精确的分子机制直接决定了细胞的命运抉择、个体的发育进程以及众多生理病理过程。近年来，随着冷冻电镜、单分子成像等技术的突破，真核生物RNA聚合酶II介导的转录起始过程逐渐揭开神秘面纱。

转录起始的核心：PIC的动态组装

转录起始的核心在于转录前起始复合物（PIC）的精准组装。Pol II需与6种通用转录因子（TFIIA、TFIIB等）协同作用，形成包含50余种蛋白的PIC复合体。传统研究基于含TATA框的启动子模型，发现TBP蛋白通过弯折DNA稳定PIC，但人类基因组中85%的基因缺乏TATA框，这一模型无法解释其转录机制。

2021年，研究人员通过冷冻电镜技术解析了包含完整TFIID复合物的PIC结构，揭示了PIC在非TATA框启动子上的组装规律：TFIID通过多模块协同识别不同启动子类型，动态招募Pol II及其他通用转录因子，形成功能完整的转录前起始复合物。研究发现，无论启动子类型如何，TBP始终通过弯折DNA将PIC锚定在启动子上，以防止转录起始过程中的滑动偏移，这一机制为基因转录的正常起始奠定了基础。

转录起始的开关：从组装到逃逸

当Pol II刚开始合成RNA时，会经历流产转录、启动子逃逸等动态过程。初期，通用转录因子协同维持转录泡开放，确保RNA稳定合成；当RNA延伸至10 nt时，模板链胀破Pol II催化活性中心的模板链通道，使TFIIB等通用转录因子从启动子上解离，转录泡崩塌，Pol II脱离启动子进入延伸阶段。通用转录因子与转录泡的协同作用不仅支持了Pol II起始转录, 同时也为Pol II成功起始转录后摆脱束缚顺利进入稳定快速高效的RNA延伸合成阶段提供了支持。

中介体：连接信号与转录的分子桥梁

中介体（Mediator）作为转录共激活因子，是细胞内高活跃基因表达的关键调控者。其核心模块（头部、中部、尾部）通过与Pol II羧基端结构域（CTD）及通用转录因子相互作用，形成“磷酸化门控”机制：中介体稳定Pol II CTD，促进CDK7激酶对其磷酸化，从而推动Pol II从起始向延伸阶段转换。

最新结构研究显示，中介体与 PIC 结合后，其构象变化直接调控 TFIIH 激酶模块的定位与活性，激活基因转录起始。此外，中介体还能通过增强子 - 启动子染色质环化，整合远端调控信号，实现基因表达的时空特异性。

染色质环境的精密调控

真核生物基因组以染色质形式高度压缩，其动态结构对转录起始具有决定性影响。位于转录起始位点下游的 +1 核小体（距离 TSS 约 40 bp ）曾被视作转录延伸的障碍，但最新研究发现其通过组蛋白变体（如 H2A.Z ）和表观修饰（如 H3K4me3 、乙酰化）直接参与 PIC 的招募与激活。研究发现， +1 核小体上的 H2A.Z 替换成经典的 H2A 时，其与 PIC 的静电相互作用减弱，导致转录起始活性显著下降。此外，染色质重塑复合物通过调控核小体定位，决定核心启动子区的可及性：当核小体占据启动子区域时，空间位阻抑制 PIC 组装；而在活跃基因中，精确重定位的核小体反而成为 PIC 组装的“脚手架”。这种双向调控机制的发现，为深入理解表观遗传修饰与转录机器之间的协同作用提供了重要的分子基础。

转录起始调控的研究前景

真核生物转录起始如同一场精密编排的分子交响乐，涉及数百种蛋白的时空协作。转录起始研究的高度复杂性源于其动态性（毫秒级时间尺度）与空间局限性（纳米级位移）。在约 40bp 的范围内， Pol II 需协调上百种调控蛋白的相互作用，其动态调控机制尚不完全清楚。当前研究面临的主要挑战包括：染色质高级结构与表观遗传修饰的协同调控机制、更接近生理状态的实验体系构建，以及时空动态过程的精确观测。虽然冷冻电镜、单分子成像等技术已取得重要进展，但仍需整合多种方法（如冷冻电子断层成像、活细胞超分辨成像、单细胞多组学等）来全面深入研究解析这一复杂的调控过程，深化对转录调控原理的理解，为相关疾病治疗提供理论基础。

复旦大学徐彦辉研究员为本文的通讯作者，复旦大学陈曦子青年研究员为本文的第一作者和共同通讯作者。该工作受到基金委和科技部的支持。

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