转录延伸复合物参与转录调控和表观遗传调控的分子机理研究

Transcription is the process that the genetic information of DNA is transferred into RNA, which include transcription initiation, elongation and termination three steps. Research in recent years indicates that in most higher eukaryotes, transcription elongation is firmly regulated, which is critical for cellular differentiation and embryonic development. Elongation factors play a major role in the regulation of transcription elongation. Transcription elongation factors can regulate transcription through direct interaction with the RNA polymerases. They can also regulation transcription by changing the transcription environment, such as regulating the dynamics of nucleosomes, or modify the specific sites on histones or DNAs epigenetically. Up to now, many transcription factors, chromatin remodeling complexes and histone modifying enzymes have been identified to possess the transcription elongation activity. However, as transcription elongation factors are usually composed of multiple subunits with complicated structures, the molecular structures of quite a few remain unknown, which prevent us from understanding their molecular mechanism. This project aims to solve 1-2 important transcription elongation factor complexes through structural biology method, which will help us to reveal the molecular mechanism of the function in transcription regulation or epigenetic regulation. In addition, our work will also provide molecular basis for understanding their deregulation related diseases.

转录是生命体内遗传信息由DNA转化为RNA的过程，主要分为转录起始、转录延伸和转录终止三个过程。近年的研究表明，绝大多数真核生物的基因在转录的延伸阶段受到调控，这种调控对细胞分化和机体发育起着至关重要的作用。转录延伸阶段的调控主要是在转录延伸因子的作用下完成的。转录延伸因子可以通过直接与RNA聚合酶发生作用调节转录的进程，也可以通过改变转录的环境，比如调节核小体的聚集状态、修饰组蛋白或者DNA的特定位点，通过表观遗传的方式调节转录。迄今为止，很多转录因子、染色质重塑复合物和组蛋白修饰酶都被鉴定出具有调节转录延伸的活性，但是由于转录延伸复合物多由多个亚基组成，结构复杂，有很多结构尚未解析，因此它们调节转录的分子机理并不清楚。本项目的主要目标是通过结构生物学的方法，解析1-2个结构未知、功能重要的转录延伸复合物，揭示其调节转录延伸或参与表观遗传调控的分子机理，并阐述其可能的致病机理。

真核生物RNA聚合酶II在转录起始之后经常发生暂停，这种启动后暂停与重启受到转录延伸因子的调控，因此转录延伸阶段的调控对基因表达十分重要。但是尚有许多转录延伸因子和调控转录延伸的蛋白的分子机理未知。本项目对直接参与转录延伸和调控转录延伸的蛋白因子的分子机理展开研究。解析了嗜热真菌Paf1复合物Ctr9-Paf1-Cdc73三元复合物的晶体结构，随后又解析了酵母Paf1复合物Ctr9-Paf1-Cdc73-Rtf1四元复合物的晶体结构，揭示了Paf1复合物核心亚基组装的方式，发现Paf1复合物对单链DNA有较高的亲和力。对NELF复合物的研究，解析了NELF-B/C/E三元复合物的晶体结构，揭示了NELF三元组分的组装方式，发现NELF对叉状DNA有较高的亲和力。这些工作为理解正向调控转录延伸的Paf1和负向调控转录延伸的NELF的分子机理奠定基础。相关工作发表PNAS文章一篇，还有部分结果的文章在撰写中。对调控转录延伸因子的研究，在NSD家族蛋白的研究上取得了突破。NSD家族蛋白都是组蛋白H3K36位点的甲基转移酶，参与转录延伸的调控。本项目解析了NSD2和NSD3与核小体复合物的冷冻电镜结构，发现NSD家族蛋白与核小体DNA和组蛋白有多重相互作用，这些相互作用保证了NSD蛋白催化的特异性，并激活了NSD的催化活性。该工作还发现NSD2和NSD3上两个活性增强突变与癌症相关，为靶向NSD家族蛋白的药物研发提供了理论基础。相关工作发表在Nature上。对HRP3的PWWP结构域的研究，揭示了PWWP结构域识别DNA和H3K36me3修饰的组蛋白的分子机理，为靶向该结构域的药物研发奠定基础。相关工作发表于Nucleic Acids Research上。此外，本项目对SAMD1和Trim66的研究也都取得了突变。这些进展为转录延伸过程分子机理的研究起到了推动作用。

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