解开基因表达的秘密 科学家在理解生命的基本过程方面取得了重大进展

你的DNA控制的不仅仅是你的眼睛是什么颜色，还是你可以卷曲你的舌头。您的基因包含制作所有蛋白质的说明，您的细胞通常需要让您保持活力。但是到目前为止，这个过程如何在分子水平上起作用的一些关键方面有点神秘。

使用低温电子显微镜(cryo-EM)，劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)科学家Eva Nogales和她的团队在我们理解我们的分子机器如何找到正确的DNA进行复制方面取得了重大突破，展示了前所未有的细节称为TFIID的强大转录因子的作用。

这一发现非常重要，因为它为科学家们理解和治疗一系列恶性肿瘤铺平了道路。诺加莱斯说：“了解细胞中的这种调节过程是操纵它或修复它的唯一方法。” “基因表达是许多重要生物过程的核心，从胚胎发育到癌症。有一天，我们将能够操纵这些基本机制，要么纠正应该或不应该存在的基因的表达，要么照顾这个过程失控的恶性国家。“

他们的研究发表在Nature杂志上，发表在题为“启动子结合的TFIID的结构和人类PIC组装的洞察力”的文章中。主要作者是Nogales实验室的生物物理学研究生Robert Louder，其他作者是Yuan He，JoséRamónLópez-Blanco，Jie Fang和PabloChacón。

诺加莱斯是一位生物物理学家，也曾在霍华德休斯医学研究所和加州大学伯克利分校任职，他已经研究基因表达18年了。虽然她和她的团队近年来取得了一些重要成果，但她称这是迄今为止最大的突破。“这将是生物化学教科书中的内容，”她说。“我们现在拥有在每个基因开始时形成的整个蛋白质组织的结构。这是没有人接近做的事情，因为传统方法研究真的很难。”遗传信息如何在生物体中流动被称为“分子生物学的中心法则”。细胞不断地打开和关闭基因以响应其环境中发生的事情，为此，细胞利用其DNA，遗传蓝图的大型文库，找到正确的部分，并以信使RNA的形式复制; 然后将mRNA用于产生所需的蛋白质。

这个“库”的问题在于它没有页码或目录。然而，标记以特定DNA序列(称为核心启动子基序)的形式存在，以指示基因的起始和终止位置。那么聚合酶(进行转录的酶)如何知道从哪里开始呢?“DNA是一种巨大的巨大分子。在这种汤中，你必须找到这种基因的起始位置，因此聚合酶知道从哪里开始复制，”诺加莱斯说。“这种转录因子TFIID是通过识别和结合DNA核心启动子区域而完全发挥作用的蛋白质复合物。”

Nogales及其团队所能做的是以前所未有的细节可视化，TFIID与DNA结合，因为它识别基因的起点或启动子区域。他们还发现它如何作为需要在这个位置组装的所有分子机器的着陆垫- 这被称为转录预启动复合物(PIC)。该PIC最终定位聚合酶，因此它可以开始转录。“TFIID不仅要做DNA的结合，募集和作为着陆垫，它必须以某种方式对生物体生命中任何给定点的不同基因做出不同的改变，”Nogales说。

添加了Louder：“我们已经生成了基于完整人类TFIID的PIC的第一个结构模型。我们的模型产生了对人类PIC组装的新见解，包括TFIID在向启动子DNA募集PIC的其他组分中的作用以及如何长期观察到TFIID的构象灵活性在转录起始的调节中起作用。“

传统上使用X射线晶体学研究蛋白质，但这种技术对于这种研究是不可能的。“TFIID尚未被蛋白质结晶学所接受，因为没有足够的材料使其结晶，它具有非常灵活的元素，并且它具有巨大的尺寸，”Nogales说。“我们可以通过cryo-EM克服所有这些问题。”

Cryo-EM，其中样品在低温下成像而不需要染料或固定剂，自20世纪80年代以来一直用于结构生物学。通过对图像进行广泛的计算分析，研究人员能够获得三维结构。然而，随着新探测器的出现，cryo-EM在过去几年中经历了一场革命 - 事实上，在伯克利实验室开发的探测器可以提高分辨率，并将所需的数据量减少多达一百倍。

“我们以为无法以高分辨率研究的许多生物系统已经变得易于接近，”她说。“现在，决议允许我们获得原子细节。这是伯克利实验室成为其中一个领导者的领域。”

虽然这项研究揭示了对基因表达的重要新见解，但诺加莱斯指出，仍有许多工作要做。接下来，她计划研究TFIID如何识别不同基因类型的不同序列，以及如何通过辅因子和激活剂调节它。

“我们刚刚开始，”她说。“这个复杂的TFIID非常非常关键。现在我们已经打破了障碍，因为我们可以开始生成原子模型并详细了解DNA是如何被束缚的。”