▎药明康德内容团队编辑
2021年3月11日，美国西北大学（Northwestern university）华人科学家何源博士领导的研究团队在《科学》发表了一项研究，研究机构新闻稿指出，“这是有史以来首次，科学家得以窥视人体细胞内部负责调节基因表达的多亚基分子机器”。
这种结构被称为Med-PIC（中介体所结合的转录前起始复合物，Mediator-bound pre-initiation complex），在决定哪些基因被激活与哪些基因被抑制方面起到关键作用。其中，中介体复合物帮助 定位 转录起始 复合物的其余部分（RNA聚合酶II和转录因子）到想要转录的基因的起始位置 。
研究人员使用冷冻电镜成像技术（cryo-EM）以高分辨率可视化这种复合物，以便他们能更好地理解其工作原理与分子机制。因为这种复合物在许多疾病中都扮演关键角色，包括癌症、神经退行性疾病、艾滋病与代谢紊乱等，研究人员对其结构组成的新认识有助于研发相关疾病治疗方法。
论文并列一作Ryan Abdella博士表示：“看到它的结构能让我们理解它是如何工作的。这就像拆开一个普通的家用电器，看看所有的东西是如何组装在一起的。现在我们可以了解复合物中的蛋白质如何聚集在一起执行功能。”
▲从左至右：本文通讯作者何源博士，并列一作Ryan Abdella博士与Anna Talyzina博士（图片来源：参考资料[3][5]）
1. 单层氧化石墨烯载体提高分辨率
1990年，美国斯坦福医学院著名生物化学家Roger Kornberg教授发现了酵母中的中介体复合物是调节真核基因转录的关键复合物，并因此获得了2006年的诺贝尔化学奖。但是中介体复合物由26个亚基组成，与转录起始复合物结合后亚基更是多达56个，要弄清其结构组成令人望而生畏。
▲2006年诺贝尔化学奖获得者Roger Kornberg教授（图片来源：参考资料 [4]）
“这是一个技术上相当具有挑战性的项目,”研究通讯作者何源博士解释道, “这些复合物在细胞中含量十分稀少。要获得少量的蛋白质复合物，需要数百公升人体细胞 。 ”
但研究团队采用的方法取得了意想不到的突破：他们把样品放在单层氧化石墨烯上，在这种载体的支持下，石墨烯薄片能将成像所需的样品量降到最低。与传统载体无晶碳（也称为无定形碳）相比，单层氧化石墨烯载体提高了高分辨率成像所需的信噪比。
2. 冷冻电镜成像技术确定3D形状
在准备好样本之后，研究小组使用了冷冻电镜成像技术来确定蛋白质复合物的3D形状。这种蛋白质通常比人类头发的宽度还要小数千倍。冷冻电镜技术的发明获得了2017年诺贝尔化学奖，指在传统穿透式电子显微镜（TEM）上加上低温传输系统和冷冻防污染系统，让其中样品在超低温下进行形态研究，相关仪器称为低温电镜或冷冻电镜，在探究生物大分子结构並揭示其功能方面极为重要。该技术的工作原理是通过向一个速冻样品发射一股电子流来拍摄许多2D图像。由于该技术在动态机械成像上的能力远远超过其他结构生物学技术，研究人员可以获得具有原子分辨率的大分子三维结构图像。
在这项研究中，何源博士的团队拍摄了成千上万张Med-PIC的照片。随后他们使用计算机方法重建了其3D图像。
“解析这个复杂的复合物就像在拼拼图。”本文并列一作Anna Talyzina博士说，“其中一些亚单位已经从其他实验中得知，但我们不知道这些碎片是如何组装在一起或相互作用的。通过我们得到的最终结构，我们终于能够看到完整的复合物结构，并理解它是如何组装的。”
▲Med-PIC的3D结构图像（图片来源：参考资料 [1]；Credit：He Lab）
最终的图像显示，Med-PIC复合物是一个扁平的细长结构，长度为45纳米。此外，研究人员还惊奇地发现，中介体会像钟摆一样相对于复合物的其余部分移动，并在一个铰链点与RNA聚合酶Ⅱ结合。Anna Talyzina博士表示：“接下来，我们想了解这种灵活性意味着什么。我们认为它可能会影响复合物中一种关键酶的活性。”
“对于现代分子生物学的每一个分支，凡是涉及基因表达的，都离不开这套转录机器提供的基础。”何源博士评论，“看清它的3D结构，将帮助我们回答基本的生物学问题，比如DNA是如何转录生成RNA拷贝的。”
参考资料:
[1] Researchers reveal 3D structure responsible for gene expression. Retrieved March 11, 2021, from
https://news.northwestern.edu/stories/2021/03/researchers-reveal-3d-structure-responsible-for-gene-expression
[2] Abdella, R. et al. (2021). Structure of the human Mediator-bound transcription preinitiation complex. Science. DOI: 10.1126/science.abg3074
[3] Researchers reveal 3D structure responsible for gene expression. Retrieved March 13, 2021, from
https://www.thegraphenecouncil.org/blogpost/1501180/Graphene-Updates?tag=Ryan+Abdella
[4] Roger Kornberg Lab: http://med.stanford.edu/kornberg.html
[5] https://biophysics.northwestern.edu/people/students/anna-talyzina.html
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