科研進(jìn)展
Nature丨王程遠(yuǎn)等解析細(xì)菌Rho因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)
發(fā)表日期： 2023-01-30
1月25日，美國(guó)羅格斯大學(xué) Richard Ebright 團(tuán)隊(duì)在Nature上發(fā)表題為Structural basis of Rho-dependent transcription termination的研究論文，該研究解析了細(xì)菌Rho因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止復(fù)合體冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了細(xì)菌Rho因子介導(dǎo)RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄終止的分子機(jī)制。本文的共同第一作者及共同通訊作者王程遠(yuǎn)博士現(xiàn)為研究所微生物、發(fā)育與健康研究中心研究員。
Rho因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止（Rho dependent transcription termination）是普遍存在于細(xì)菌中的一類轉(zhuǎn)錄終止機(jī)制。與終止信號(hào)編碼在DNA中的固有終止不同，Rho因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止主要通過(guò)具有5′ 3′轉(zhuǎn)移酶/解旋酶活性的Rho因子完成RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄終止過(guò)程，同時(shí)與轉(zhuǎn)錄翻譯偶聯(lián)過(guò)程相互協(xié)作，在細(xì)菌應(yīng)激基因表達(dá)、外源基因沉默、毒力因子調(diào)控、維持基因組穩(wěn)定性等過(guò)程起著重要調(diào)控作用。
細(xì)菌Rho因子依賴型轉(zhuǎn)錄終止過(guò)程主要包括四個(gè)步驟：1）Rho解旋酶形成開(kāi)環(huán)狀態(tài)（open-ring state）六聚體，并通過(guò)其初始RNA結(jié)合位點(diǎn)（Primary binding site，PBS）識(shí)別信使RNA上的特殊序列（Rho utilization site，rut site）并與信使RNA結(jié)合；2）開(kāi)環(huán)狀態(tài)Rho六聚體通過(guò)其中心位置第二個(gè)RNA結(jié)合位點(diǎn)（secondary binding site，SBS）與富嘧啶RNA序列結(jié)合；3）開(kāi)環(huán)狀態(tài)六聚體閉合形成閉環(huán)六聚體（close-ring state），并通過(guò)水解ATP提供能量沿著5’-3’方向在信使RNA上移動(dòng)；4）Rho解旋酶六聚體接近延伸狀態(tài)RNA聚合酶，并通過(guò)NusG轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)與RNA聚合酶結(jié)合，通過(guò)水解ATP提供機(jī)械力解離信使RNA與RNA聚合酶，最終完成RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄終止過(guò)程。
圖1：Rho依賴型轉(zhuǎn)錄終止過(guò)程模型圖
然而Rho因子如何識(shí)別rut序列、NusG如何介導(dǎo)RNA聚合酶與Rho的相互作用等機(jī)制尚不清晰。研究團(tuán)隊(duì)首先設(shè)計(jì)帶有不同長(zhǎng)度信使RNA的核酸骨架，測(cè)試不同組合情況下（不同PBS底物 tR1、dC5、dC15和dC75；NusG；ATP等）體外轉(zhuǎn)錄終止效率，確定Rho依賴的轉(zhuǎn)錄終止需要PBS底物（ tR1、dC75）、NusG、ATP、Rho同時(shí)存在的情況下才能發(fā)揮轉(zhuǎn)錄終止活性，并且當(dāng)信使RNA spacer為6密碼子長(zhǎng)度時(shí)具有最高的終止效率；之后通過(guò)單顆粒冷凍電鏡方法分別解析了Rho-NusG-RNAP與不同PBS底物結(jié)合的轉(zhuǎn)錄終止復(fù)合體結(jié)構(gòu)（分辨率為4.2-6.5 ）。最終基于這些結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)證明：
圖2：轉(zhuǎn)錄終止復(fù)合體結(jié)構(gòu)（上）及Rho因子驅(qū)動(dòng)模型（下）
1）NusG蛋白通過(guò)N端結(jié)構(gòu)域結(jié)合RNA聚合酶，C端KOW結(jié)構(gòu)域結(jié)合Rho蛋白C端結(jié)構(gòu)域，連接RNA聚合酶和Rho因子；
2）Rho因子六聚體處于閉環(huán)狀態(tài)，其PBS位點(diǎn)特異性與信使RNA rut序列結(jié)合，SBS位點(diǎn)與信使RNA spacer部分結(jié)合；
3）Rho因子六聚體分別結(jié)合ATP分子，依次連續(xù)發(fā)生水解反應(yīng)，提供能量驅(qū)動(dòng)Rho因子沿著5′ 3′方向在RNA上移動(dòng)，并最終通過(guò)對(duì)RNA聚合酶施加機(jī)械力，破壞其活性反應(yīng)中心RNA-DNA雜合雙鏈，完成轉(zhuǎn)錄終止過(guò)程；
4）RNA聚合酶通過(guò) 亞基、 亞基FTH結(jié)構(gòu)域、信使RNA以及NusG與Rho因子相互作用，最終完成轉(zhuǎn)錄終止反應(yīng)。
該研究報(bào)道了細(xì)菌Rho依賴型轉(zhuǎn)錄終止復(fù)合體冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，解析了Rho因子特異性識(shí)別rut序列，PBS、SBS位點(diǎn)分別結(jié)合信使RNA的分子機(jī)制，揭示了NusG蛋白介導(dǎo)Rho因子與RNA聚合酶結(jié)合的作用方式。該研究回答了轉(zhuǎn)錄終止的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。
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