华人学者一作！《Science》挑战染色质仅是转录障碍的传统观点，发现染色质缓冲扭转载荷促进RNA聚合酶前进
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在真核生物的转录过程中，RNA 聚合酶 II（Pol II）必须克服核小体的阻碍，并且由于 DNA 的螺旋结构，它还必须相对于 DNA 进行旋转，从而产生扭转应力。然而，对于 Pol II 如何在 DNA 超螺旋状态下穿过核小体进行转录，目前的了解还很有限。
2025年12月18日，康奈尔大学Michelle D. Wang团队（Jin Qian为第一作者）在
Science
在线发表题为
Chromatin buffers torsional stress during transcription
的研究论文，该研究发现 Pol II 单独时能产生 9 皮牛顿-纳米（pN·nm）的扭矩，与转录因子 IIS（TFIIS）结合时能产生 13 pN·nm 的扭矩，这使其成为一个强大的旋转发动机。
当 Pol II 遇到核小体时，在染色质基质中的通过效率比在单核小体基质中更高，这表明染色质在转录过程中显著缓冲了扭转应力。此外，拓扑异构酶的超螺旋松弛使 Pol II 能够穿过多个核小体进行转录。该研究结果表明，染色质的作用远不止于传统观点中仅仅作为转录的障碍这一层面。
DNA 的手性结构——右手螺旋结构——决定了转录过程必然会产生拓扑方面的挑战。当 RNA 聚合酶 II（Pol II）沿着 DNA 进行移动时，它还必须同时相对于 DNA 进行旋转，从而在前方产生正向（+）的 DNA 超螺旋结构，这反过来又会阻碍转录过程。
此外，Pol II 会遇到核小体作为物理障碍，而每个核小体都是以左手螺旋结构将 DNA 围绕在核心组蛋白周围形成的。尽管在扭转应力作用下通过染色质进行转录是生物学中一个基本问题，但右手螺旋的 DNA 手性是否与左手螺旋的核小体手性相互作用从而影响转录过程，目前尚未得到证实。
为解决这一问题，研究人员利用角式光学陷阱和磁镊子开发了单分子检测技术。该研究以高空间和时间分辨率观察到了转录起始蛋白 II 对旋转 DNA 的旋转过程。该研究还发现，转录起始蛋白 II 具有强大的扭转功能，其自身可产生 9 皮牛顿·纳米的扭矩，且在转录延伸因子 TFIIS 的协助下可产生 13 皮牛顿·纳米的扭矩。这种扭转能力对于转录起始蛋白 II 通过核小体至关重要。
该研究发现，当 RNA 聚合酶 II 遇到核小体时，其在染色质基质中的移动效率要比在单核小体基质中高得多，这表明染色质在转录过程中能够有效地缓冲扭转应力。这一观察结果与之前发现的一致，即染色质与裸 DNA 相比显著降低了基质的扭转刚度，从而在 DNA 超螺旋时限制扭转应力的积累。这种降低最终源于左旋核小体的旋向特性，它使得 DNA 的进出片段能够形成交叉构型，从而缓冲（+）扭转应力。
在扭转应力作用下通过染色质进行的转录过程（图源自
Science
）
然而，持续的转录最终会产生超过染色质缓冲能力的扭转应力，限制了 RNA 聚合酶 II 进行连续转录的能力。该研究观察到，当拓扑异构酶 I（拓扑酶 I）或拓扑酶 II 存在时，RNA 聚合酶 II 能够穿过多个核小体，拓扑酶 I 在促进核小体绕过方面更为有效，这支持了之前在活体实验中的发现，即拓扑酶 I 是缓解转录产生的扭转应力的主要酶。因此，拓扑异构酶的存在对于确保连续性转录是至关重要的。
尽管以往人们一直认为染色质会妨碍基本的 DNA 过程，但研究结果表明，染色质在一定的螺旋作用下也能促进转录过程。值得注意的是，染色质缓冲扭转应力的能力并不需要组蛋白的解离。相反，这是右手螺旋的 DNA 构型与左手螺旋的核小体构型协同协调的自然结果。该研究揭示了染色质在转录过程中的关键作用，这超出了将其仅仅视为障碍的传统看法。
参考消息：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adv0134
