你的DNA控制的不僅僅是你的眼睛是什么顏色，還是你可以卷曲你的舌頭。您的基因包含制作所有蛋白質(zhì)的說明，您的細(xì)胞通常需要讓您保持活力。但是到目前為止，這個(gè)過程如何在分子水平上起作用的一些關(guān)鍵方面有點(diǎn)神秘。

使用低溫電子顯微鏡(cryo-EM)，勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(伯克利實(shí)驗(yàn)室)科學(xué)家Eva Nogales和她的團(tuán)隊(duì)在我們理解我們的分子機(jī)器如何找到正確的DNA進(jìn)行復(fù)制方面取得了重大突破，展示了前所未有的細(xì)節(jié)稱為TFIID的強(qiáng)大轉(zhuǎn)錄因子的作用。

這一發(fā)現(xiàn)非常重要，因?yàn)樗鼮榭茖W(xué)家們理解和治療一系列惡性腫瘤鋪平了道路。諾加萊斯說：“了解細(xì)胞中的這種調(diào)節(jié)過程是操縱它或修復(fù)它的唯一方法。” “基因表達(dá)是許多重要生物過程的核心，從胚胎發(fā)育到癌癥。有一天，我們將能夠操縱這些基本機(jī)制，要么糾正應(yīng)該或不應(yīng)該存在的基因的表達(dá)，要么照顧這個(gè)過程失控的惡性國(guó)家。“

他們的研究發(fā)表在Nature雜志上，發(fā)表在題為“啟動(dòng)子結(jié)合的TFIID的結(jié)構(gòu)和人類PIC組裝的洞察力”的文章中。主要作者是Nogales實(shí)驗(yàn)室的生物物理學(xué)研究生Robert Louder，其他作者是Yuan He，JoséRamónLópez-Blanco，Jie Fang和PabloChacón。

諾加萊斯是一位生物物理學(xué)家，也曾在霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所和加州大學(xué)伯克利分校任職，他已經(jīng)研究基因表達(dá)18年了。雖然她和她的團(tuán)隊(duì)近年來取得了一些重要成果，但她稱這是迄今為止最大的突破。“這將是生物化學(xué)教科書中的內(nèi)容，”她說。“我們現(xiàn)在擁有在每個(gè)基因開始時(shí)形成的整個(gè)蛋白質(zhì)組織的結(jié)構(gòu)。這是沒有人接近做的事情，因?yàn)閭鹘y(tǒng)方法研究真的很難。”遺傳信息如何在生物體中流動(dòng)被稱為“分子生物學(xué)的中心法則”。細(xì)胞不斷地打開和關(guān)閉基因以響應(yīng)其環(huán)境中發(fā)生的事情，為此，細(xì)胞利用其DNA，遺傳藍(lán)圖的大型文庫(kù)，找到正確的部分，并以信使RNA的形式復(fù)制; 然后將mRNA用于產(chǎn)生所需的蛋白質(zhì)。

這個(gè)“庫(kù)”的問題在于它沒有頁碼或目錄。然而，標(biāo)記以特定DNA序列(稱為核心啟動(dòng)子基序)的形式存在，以指示基因的起始和終止位置。那么聚合酶(進(jìn)行轉(zhuǎn)錄的酶)如何知道從哪里開始呢?“DNA是一種巨大的巨大分子。在這種湯中，你必須找到這種基因的起始位置，因此聚合酶知道從哪里開始復(fù)制，”諾加萊斯說。“這種轉(zhuǎn)錄因子TFIID是通過識(shí)別和結(jié)合DNA核心啟動(dòng)子區(qū)域而完全發(fā)揮作用的蛋白質(zhì)復(fù)合物。”

Nogales及其團(tuán)隊(duì)所能做的是以前所未有的細(xì)節(jié)可視化，TFIID與DNA結(jié)合，因?yàn)樗R(shí)別基因的起點(diǎn)或啟動(dòng)子區(qū)域。他們還發(fā)現(xiàn)它如何作為需要在這個(gè)位置組裝的所有分子機(jī)器的著陸墊- 這被稱為轉(zhuǎn)錄預(yù)啟動(dòng)復(fù)合物(PIC)。該P(yáng)IC最終定位聚合酶，因此它可以開始轉(zhuǎn)錄。“TFIID不僅要做DNA的結(jié)合，募集和作為著陸墊，它必須以某種方式對(duì)生物體生命中任何給定點(diǎn)的不同基因做出不同的改變，”Nogales說。

添加了Louder：“我們已經(jīng)生成了基于完整人類TFIID的PIC的第一個(gè)結(jié)構(gòu)模型。我們的模型產(chǎn)生了對(duì)人類PIC組裝的新見解，包括TFIID在向啟動(dòng)子DNA募集PIC的其他組分中的作用以及如何長(zhǎng)期觀察到TFIID的構(gòu)象靈活性在轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié)中起作用。“

傳統(tǒng)上使用X射線晶體學(xué)研究蛋白質(zhì)，但這種技術(shù)對(duì)于這種研究是不可能的。“TFIID尚未被蛋白質(zhì)結(jié)晶學(xué)所接受，因?yàn)闆]有足夠的材料使其結(jié)晶，它具有非常靈活的元素，并且它具有巨大的尺寸，”Nogales說。“我們可以通過cryo-EM克服所有這些問題。”

Cryo-EM，其中樣品在低溫下成像而不需要染料或固定劑，自20世紀(jì)80年代以來一直用于結(jié)構(gòu)生物學(xué)。通過對(duì)圖像進(jìn)行廣泛的計(jì)算分析，研究人員能夠獲得三維結(jié)構(gòu)。然而，隨著新探測(cè)器的出現(xiàn)，cryo-EM在過去幾年中經(jīng)歷了一場(chǎng)革命 - 事實(shí)上，在伯克利實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的探測(cè)器可以提高分辨率，并將所需的數(shù)據(jù)量減少多達(dá)一百倍。

“我們以為無法以高分辨率研究的許多生物系統(tǒng)已經(jīng)變得易于接近，”她說。“現(xiàn)在，決議允許我們獲得原子細(xì)節(jié)。這是伯克利實(shí)驗(yàn)室成為其中一個(gè)領(lǐng)導(dǎo)者的領(lǐng)域。”

雖然這項(xiàng)研究揭示了對(duì)基因表達(dá)的重要新見解，但諾加萊斯指出，仍有許多工作要做。接下來，她計(jì)劃研究TFIID如何識(shí)別不同基因類型的不同序列，以及如何通過輔因子和激活劑調(diào)節(jié)它。

“我們剛剛開始，”她說。“這個(gè)復(fù)雜的TFIID非常非常關(guān)鍵?，F(xiàn)在我們已經(jīng)打破了障礙，因?yàn)槲覀兛梢蚤_始生成原子模型并詳細(xì)了解DNA是如何被束縛的。”