撰文丨易

在真核細胞中，染色質的基本結構單元核小體構成了 RNA 聚合酶 II （ RNA Pol II ）轉錄過程中的主要物理屏障。核小體由 147 bp 的 DNA 纏繞在組蛋白八聚體上形成，這種緊密的結構使得 RNA Pol II 在轉錄過程中經常在特定的超螺旋位置（如 SHL-5 、 SHL-2 和 SHL-1 ）發生長時間的停頓，甚至導致酶的倒退和轉錄終止。早期的冷凍電鏡研究已經揭示了 RNA Pol II- 核小體復合物的精細結構，證實了這些停頓位點與組蛋白 -DNA 的關鍵相互作用位點直接相關。在缺乏輔助因子的情況下， RNA Pol II 穿越核小體的效率極低，僅有約 30% 的酶分子能夠完成穿越，且平均耗時長達 200 秒，這一速度遠遠不能滿足活細胞中基因表達的動態需求。因此，細胞進化出了一系列轉錄輔助因子來幫助 RNA Pol II 克服這一障礙，其中FACT（ Facilitates Chromatin Transcription ）是最重要的組蛋白伴侶蛋白之一。 FACT 在胚胎干細胞和癌細胞中高表達，暗示其在維持染色質動態平衡中的關鍵作用。雖然已知 FACT 能夠以不依賴 ATP 的方式促進核小體的解聚和重組，但其具體的作用機制，特別是如何協調核小體屏障的削弱與完整性的維持，仍然是領域內亟待解決的重要科學問題。

近日，美國加利福尼亞大學Carlos Bustamante在Molecular Cell期刊上發表題為FACT weakens thenucleosomalbarrier to transcription and preserves its integrity by promoting the formation of ahexasome-like intermediate的研究論文，揭示了組蛋白伴侶FACT通過促進核小體遠端DNA解旋形成穩定的類六聚體中間態，在顯著降低RNA聚合酶II轉錄屏障的同時，巧妙地維持了核小體的結構完整性，從而實現了染色質動態調控與基因組穩定性的完美平衡。

為了深入解析 FACT 的作用機制， 作者開 發了一套基于高精度單分子光鑷的實時觀測系統，能夠以堿基對分辨率追蹤 RNA Pol II 在核小體上的轉錄動態 。 研究發現 FACT 能夠顯著降低核小體對 RNA Pol II 的轉錄阻礙作用，將其穿越核小體的中位時間從 202 秒大幅縮短至 48 秒，同時將成功穿越概率從 30% 提升至 60% 。這種促進作用主要源于 FACT 對核小體結構的動態調控：通過特異性作用于遠端 H2A-H2B 二聚體， FACT 促進了核小體遠端 DNA 的局部解旋，這種構象變化進而削弱了核小體中心區域（特別是 dyad 附近）的組蛋白 -DNA 相互作用強度，使得 Pol II 在關鍵停頓位點（如 SHL-2 和 SHL-1 ）的停留時間明顯縮短。

此外， 研究首次在單分子水平上觀察到 FACT 誘導形成的一種新型核小體中間態結構。這種被命名為 “ 類六聚體 ” 的中間態表現出獨特的生物物理特性：雖然其機械解旋行為與常規六聚核小體相似，但通過 Cy3 標記的單分子熒光檢測證實，該結構仍完整保留了兩個 H2A-H2B 二聚體。這種中間態展現出驚人的結構穩定性，在連續 20 次機械解纏 - 復性循環后仍能維持其結構完整性，而對照組的核小體通常在 2-6 個循環后就會完全解離為亞核小體顆粒。進一步的轉錄后分析表明，在 FACT 存在的情況下，約 31% 的核小體能夠在 Pol II 通過后保持結構完整，顯著高于無 FACT 時的 9.2% 。

其次， 研究還深入探討了核小體 DNA 序列特性對 FACT 功能的影響。通過整合多種人類細胞系的 MNase -seq 數據和 DNA 柔性預測算法，發現核小體兩臂的 DNA 柔性存在天然的序列依賴性不對稱，這種不對稱性與轉錄方向密切相關。在大多數活躍轉錄基因中， Pol II 首先遇到的 “ 近端臂 ” 表現出更高的剛性（平均柔性指數 2.3 ），而 “ 遠端臂 ” 則更為柔韌（平均柔性指數 3.1 ）。這種特定的排列方式使 FACT 能夠更有效地發揮其促進作用。實驗 結果 顯示，當人為反轉核小體序列使剛性臂位于遠端時， Pol II 的穿越效率急劇下降至僅 2% ，而 FACT 的加入可將這一效率提升至 40% ，充分說明了 DNA 序列排列對 FACT 功能的重要性。

最后， 研究揭示了 FACT 與 其它 轉錄延伸因子的協同作用機制。當 FACT 與延伸因子 Spt4/5 共同作用時， Pol II 穿越核小體的中位時間可進一步縮短至 22 秒，幾乎達到在裸露 DNA 上的轉錄速度（ 17 秒）。這種協同效應可能源于 Spt4/5 能夠阻止轉錄過程中核小體 DNA 的重新纏繞，從而為 FACT 發揮作用創造更有利的條件。

總而言之，FACT是通過削弱屏障并在酶通過后主動協助維持核小體完整性來促進核小體轉錄。這些發現不僅從分子水平闡明了FACT調控轉錄延伸的精細機制，也為理解真核細胞中染色質動態調控的普適性原理提供了重要啟示。

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2025.05.002

制版人： 十一

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