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基因转录是所有原核和真核生物最基础的生命活动之一，是中心法则的重要一环。真核生物转录与原核生物转录最大的区别在于：负责激活基因转录的转录激活子 （transcriptional activator） 在原核生物中直接与核心转录机器RNA聚合酶结合；而在真核生物中，转录激活子不直接与RNA聚合酶II （Pol II） 结合，而是由一个被称为中介体 （Mediator） 的超级复合物介导。换句话说：在真核生物中，中介体复合物在转录激活子和Pol II之间起到一个桥梁的作用。中介体复合物对几乎所有真核生物基因的转录都是必需的。

中介体复合物是在Roger D. Kornberg教授 （2006年诺贝尔化学奖得主） 的实验室中被发现的 （Kelleher et al., Cell, 1990; Flanagan et al., Nature, 1991） 。Richard A. Young等人的实验室证明了中介体复合物含有许多在调控分子的遗传筛选中鉴定出的成分 （Thompson et al., Cell, 1993） 。1999年，Kornberg实验室在Science发表论文，用负染电镜的方法观察到了酿酒酵母和小鼠中介体复合物的大致形状，证明了该复合物的普遍性 （Asturias et al., Science, 1999） 。自从Kornberg实验室纯化得到中介体复合物后，世界上多个实验室对它的结构生物学研究开展了持续攻关。酿酒酵母中介体复合物包含21个亚基，并且被划分为头部、中部和尾部三个模块。由于成分复杂多变、柔性极强，解析完整中介体复合物高分辨率结构一直是领域内的难题。2011年和2012年，中介体头部模块4.3 Å和3.4 Å的晶体结构先后在Nature上发表 （Imasaki et al., Nature, 2011; Lariviere et al., Nature, 2012） ；2017年，中介体复合物头部与中部模块复合物4.4 Å的冷冻电镜结构和3.4 Å的晶体结构先后发表于Nature（Tsai et al., Nature, 2017; Nozawa et al., Nature, 2017） 。尽管已有多个中介体亚复合物的高分辨率结构被解析和报道，但是负责与转录激活子直接结合的尾部模块 （400 kDa） 以及完整中介体复合物始终没有高分辨率结构。由于完整复合物高分辨率结构的缺失，人们对于中介体复合物如何参与转录调控的理解也非常有限。

2021年2月10日，Roger D. Kornberg领导的上海科技大学免疫化学研究所- 斯坦福大学联合研究团队 在Molecular Cell以研究长文 （Article） 的形式，在线发表了题为Mediator structure and conformation change（中介体复合物的结构和构象变化） 的研究论文，首次报道了完整中介体复合物（Mediator）的近原子分辨率冷冻电镜结构，及其在结合RNA聚合酶II（Pol II）前后发生的构象变化，为进一步理解中介体复合物参与转录调控的分子机制提供了重要基础，是转录调控这一基础研究领域的重要进展。

由于酵母和哺乳动物来源的中介体复合物柔性非常强、结构均一性差，解析该复合物的高分辨率结构难度较大。结构生物化学实验室助理研究员张贺桥博士另辟蹊径，选择研究来源于嗜热毛壳菌 （一种耐热真核生物） 的中介体复合物 （嗜热毛壳菌来源的蛋白由于热稳定性较高，更适合开展高分辨率结构生物学研究） ，通过对嗜热毛壳菌进行基因组改造，在Med6羧基端融合了可以用于亲和纯化的标签。通过发酵罐培养，最后从湿重约两公斤的细胞中纯化得到了单独中介体及中介体与Pol II复合物的高质量蛋白样品，并与谌东华博士 （斯坦福大学医学院结构生物学系Kornberg组高级科学家） 合作，利用冷冻电镜解析了完整中介体（6.6 Å）及其与Pol II的复合物结构（4.3 Å）。在中介体与Pol II的复合物结构中，头部模块与中部模块分辨率为4.2 Å，而之前没有任何高分辨率结构信息的尾部模块分辨率达到了3.6 Å。基于该结构，联合研究团队首次在中介体上鉴定到了转录激活子可能的结合位点。此外，通过比较完整中介体及其与Pol II的复合物结构，发现了中介体在结合Pol II前后发生的构象变化：结合Pol II后，尾部模块发生转动，Med1蛋白发生轻微平移，Pol II-CTD （C-terminal domain，羧基端结构域） 结合位点处的缺口发生关闭。这些构象变化为理解中介体参与转录调控的分子机制提供了重要启示。

完整中介体复合物的近原子分辨率冷冻电镜结构，及其在结合Pol II前后发生的构象变化。

据悉，免疫化学研究所结构生物化学实验室助理研究员张贺桥为第一作者，Kornberg教授为首要通讯作者 （lead contact） ，Co-PI聂焱为共同通讯作者，上海科技大学为第一完成单位。其他作者包括斯坦福大学的谌东华博士、结构生物化学实验室高级工程师王雁南、博士后王春年、博士生原超、王琳、以及斯坦福大学的其他合作人员；上海科技大学生命科学电镜平台也给予了大力支持和帮助。

该文的通讯作者之一聂焱说到：“ 自1990年首先在酵母中发现中介体复合物以来，Roger D. Kornberg教授斯坦福大学课题组已在该领域深耕超过30年，并发表了20余篇重要论文。值得一提的是，虽然Kornberg教授的诺奖报告 （2006年12月） 主要介绍了Pol II的结构及功能，但最后两页都用于展示中介体复合物的科研进展 （中介体-Pol II复合物的低分辨率电镜结构、以及头部模块的晶体照片和相关数据） ，充分体现出Kornberg教授对于中介体复合物的重视。除Kornberg教授外，几位在他实验室学习和工作过的学者们也在中介体复合物领域，尤其是结构生物学研究方面取得了许多重要进展 （如德国马克斯·普朗克生物物理化学研究所的Patrick Cramer教授、美国科罗拉多大学医学院的Francisco Asturias教授等） 。所以，Kornberg教授可以说是中介体复合物领域的‘奠基人’ 。

我们实验室从建立之初 （2012年年底） 就聚焦于中介体复合物的结构与功能研究。我在2015年11月加入后，引进了能高效重组表达多蛋白复合物的MultiBac杆状病毒-昆虫细胞表达系统，该系统很快帮助我们成功制备了一系列来源于嗜热毛壳菌的中介体中部模块亚复合物。在对这些亚复合物进行负染电镜初步观察和分析后，我们发现它们和相应的酿酒酵母中介体亚复合物在整体结构上高度相似 （尽管相应亚基的氨基酸序列一致性仅为20%左右） ，这提示嗜热毛壳菌的中介体复合物和酿酒酵母及其他物种的中介体复合物在结构上应是高度保守的。然而，在2017年3月和5月，Francisco Asturias课题组和Patrick Cramer课题组先后在Nature上发表了两篇关于中介体复合物的结构生物学文章，报导了裂殖酵母中介体复合物的头部模块、中部模块以及Med14亚基的高分辨率结构 （分别为4.4 Å的冷冻电镜结构和3.4 Å的晶体结构） ，但尾部模块及Med1亚基仍然缺乏高分辨率结构信息。因此，我们实验室的研究重心开始聚焦到完整中介体复合物及其尾部模块上来。

我们实验室的助理研究员张贺桥博士 （博士毕业于清华大学柴继杰课题组，2017年1月加入本实验室） 接手了内源纯化嗜热毛壳菌中介体复合物这一技术难度极高的任务。在Kornberg斯坦福实验室其他成员前期工作的基础上，通过艰苦不懈的努力，逐步攻克了嗜热毛壳菌的基因改造、小量培养以及大规模发酵培养等技术难点，最终成功纯化得到了毫克级别的高纯度蛋白样品 （单独中介体及中介体-Pol II复合物） ，为后续与谌东华博士 （斯坦福大学医学院结构生物学系Kornberg组高级科学家） 合作解析其高分辨冷冻电镜结构并研究构象变化打下了坚实的基础；谌东华博士在冷冻电镜数据收集和处理上的丰富经验也为本课题的顺利进展做出了重要贡献。

以上简要回顾了实验室这些年来在中介体复合物研究上走过的历程，我深切地感受到我们之所以能做出一些成绩，是因为站在了“巨人的肩膀上”——今天上线的这篇论文离不开学校和研究所对我们实验室的长期支持、Kornberg教授多年来一以贯之的悉心指导、以及以张贺桥博士和谌东华博士为代表的联合课题组成员及合作者们长期以来的不懈努力。我们实验室也将努力在这一领域做出更多有意思的发现，与国内外同行一起不断深化我们对于中介体复合物这一关键转录辅因子在基因转录、表观遗传、染色质高级结构、相分离、乃至于疾病发生发展等领域的认识。 ”

文章作者合影（从左到右：王琳、王春年、张贺桥、Roger D. Kornberg、聂焱、原超、王雁南）

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2021.01.022