大約100年前，在英格蘭北部，一對父子進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，和科學(xué)史上的很多實(shí)驗(yàn)一樣，盡管這對父子的初衷并非如此，但這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)卻徹底改變了科學(xué)家們研究分子的方式。隨后，不斷有科學(xué)家們對這一方法進(jìn)行修改，精煉，使其日臻完善。但不管面貌如何改變，其始終是科學(xué)研究中最重要的工具之一，她就是X射線晶體技術(shù)。

2014年是國際晶體學(xué)年，本期（11月20日）Cell雜志為此特別推出了“結(jié)構(gòu)生物學(xué)”專題，以三位學(xué)者的綜述為主，介紹了這一百年來X射線晶體學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及結(jié)構(gòu)生物學(xué)的歷史和現(xiàn)狀。

馬普研究院著名結(jié)構(gòu)生物學(xué)家，RNA聚合酶研究泰斗級(jí)專家Patrick Cramer以“A Tale of Chromatin and Transcription in 100 Structures”為題，講述了100個(gè)晶體結(jié)構(gòu)如何影響染色質(zhì)和轉(zhuǎn)錄領(lǐng)域的研究的故事。

轉(zhuǎn)錄因子TFIID復(fù)合物核心結(jié)構(gòu)

人細(xì)胞中RNA聚合酶Ⅱ的基因轉(zhuǎn)錄的起始是由許多蛋白質(zhì)調(diào)控的。TFIID是第一個(gè)結(jié)合到基因啟動(dòng)子的通用轉(zhuǎn)錄因子。TFIID作為轉(zhuǎn)錄激活輔助因子與轉(zhuǎn)錄激活因子相互作用，并識(shí)別表觀遺傳標(biāo)記，引發(fā)起始復(fù)合物前提的形成。TFIID是個(gè)分力量為百萬道爾頓的多聚蛋白復(fù)合物，由TATA-box結(jié)合蛋白即TBP以及13個(gè)TBP結(jié)合因子即TAFs組成。

盡管TFIID具有至關(guān)重要的作用，然而TFIID的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和組裝機(jī)制尚不清楚。組蛋白折疊結(jié)構(gòu)域普遍存在于TAFS中;人們也發(fā)現(xiàn)組蛋白四聚體和八聚體結(jié)構(gòu)存在于TFIID 中;近來人們也揭示了果蠅TFIID功能核心亞結(jié)構(gòu)組成的子集：TAFS(TAF4，TAF5，TAF6，TAF9和TAF12)。目前，這些核心亞基被認(rèn)為是全息TFIID中一式兩份，相反，TBP和其他TAFS，則是一個(gè)單一的副本，描述了TFIID組裝過程中從對稱與不對稱的過渡。

此項(xiàng)研究，利用低溫電子顯微鏡，向人們展示了在11.6  Å分辨率下人類TFIID 的結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)揭示了2倍體對稱交錯(cuò)結(jié)構(gòu)，具有明顯的突起，包含之前發(fā)現(xiàn)的TAFS保守結(jié)構(gòu)特征，包括組氨酸結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的研究證實(shí)，TAF8-TAF10復(fù)合物的結(jié)合破壞了核心TFIID原有的對稱結(jié)構(gòu)，由此，研究小組提出產(chǎn)生的非對稱結(jié)構(gòu)作為功能支架，通過吸收余下一份TAFS和TBP，并使全息TFIID 組裝成核。

RNA聚合酶II的結(jié)構(gòu)

RNA聚合酶II(Pol II)是三大RNA聚合酶之一，存在于基因轉(zhuǎn)錄裝置的核心位置，編碼蛋白質(zhì)基因的轉(zhuǎn)錄受到RNA聚合酶的調(diào)控。RNA聚合酶解開DNA雙鏈，沿著一條鏈移動(dòng)。在移動(dòng)過程中，它們一邊“解讀”DNA鏈上的核苷，一邊合成一條相應(yīng)的RNA鏈。由Pol II組成的RNA是信使RNA(mRNA)，它們將合成蛋白質(zhì)的指令傳給核糖體。

雖然這一酶的結(jié)構(gòu)已經(jīng)被測定，但是其中的一些關(guān)鍵問題還沒有搞清楚，而且其中一些轉(zhuǎn)錄因子的動(dòng)力學(xué)進(jìn)程，科學(xué)家們了解得也并不多。

科學(xué)家完成的這一分子動(dòng)畫捕捉了RNA聚合酶II起始和延伸過程中的一些關(guān)鍵因素，為了完成這一動(dòng)畫，研究人員將起始-延伸轉(zhuǎn)化過程中的結(jié)構(gòu)快照，與延伸過程中的快照結(jié)合在一起，包括核苷酸添加，易位，停頓，校對，回查，捕捉，重新激活和抑制等。

這一動(dòng)畫揭示了轉(zhuǎn)錄過程中的一些開放性問題，也為全球分子生物學(xué)等研究領(lǐng)域的教學(xué)提供了一個(gè)有效的工具。

關(guān)于RNA聚合酶的研究其實(shí)意義頗為重要，也吸引了不少科學(xué)家深入探索，比如近期來自馬普研究院的研究人員就針對其中的一種作用成分：P-TEFb酶展開了研究。

他們追蹤了這種酶P-TEFb轉(zhuǎn)錄因子的功能。P-TEFb給RNA聚合酶II裝配上磷酸信息。這些信息被可逆性地附加到C-末端結(jié)構(gòu)域（CTD），發(fā)揮重要的作用確保生成一個(gè)拷貝的堿基序列。研究人員根據(jù)附著這些磷酸殘基的P-TEFb解析了這種模式以及存在的標(biāo)記物影響該酶活性的機(jī)制。

染色質(zhì)重塑復(fù)合物的特點(diǎn)

染色體是由長鏈DNA通過周圍蛋白節(jié)點(diǎn)：核小體包裝壓縮而成的，當(dāng)DNA被壓縮時(shí)，這一區(qū)域的基因就被關(guān)閉了。一些CRC——去組裝CRC（disassembly CRCs）在某些細(xì)胞進(jìn)程中能作為馬達(dá)，解開DNA鏈區(qū)域，使得這些基因激活，還有另一種類型稱為組裝CRC（assembly CRCs），則作用相反，在這一細(xì)胞進(jìn)程完成后，能將DNA鏈重新包裝起來。這種解開-再包裝的重復(fù)循環(huán)過程貫穿了細(xì)胞整個(gè)生命周期。

這項(xiàng)研究聚焦于組裝CRC。CRC馬達(dá)的側(cè)面總是有一個(gè)‘開關(guān)’能抑制其活性，除非遇到一個(gè)可以定位在核小體上的標(biāo)記序列。這個(gè)標(biāo)記翻轉(zhuǎn)了這個(gè)抑制開關(guān)，從而CRC能令DNA鏈沿著核小體圍繞彎曲，促進(jìn)基因表達(dá)，沉默基因，這一研究結(jié)果改變未來研究的方向，即要想了解CRC如何被調(diào)控的，不是要去找CRC馬達(dá)本身，而是要去找馬達(dá)兩側(cè)的一種‘開關(guān)’。”

這項(xiàng)研究還指出了CRC的測量功能：檢測一個(gè)核小體與另外一個(gè)核小體之間的正確距離，這個(gè)功能能告訴馬達(dá)在合適的時(shí)間上關(guān)閉，這對于基因沉默來說十分重要。